Cortex-M 内核的 OS 特性

一文看懂ARM Cortex-M处理器 ARM Cortex-M 处理器家族介绍和比较_m33 m4 内核 区别 Cortex-M3 和Cortex-M4处理器支持一个叫做位段的可选功能,允许有两段通过位段别名地址实现可以位寻址的1MB的地址空间(一段在从地址0x20000000起始的SRAM空间。一些ARMv7-M/ARMv8-M Mainline系列的处理器使用的中断和系统异常并不被ARMv6-M/ARMv8-M Baseline的产品支持,如图8. 例如,Cortex-M0, M0+ 和M1的中断数被限制在32个以下,没有调试监测异常,错误异常也只限于HardFault(错误处理细节请参看章节3.4)。 阅读详情


一、通用堆栈知识

在前面讲解 STM32 启动文件的时候就已经提到过,有关堆栈大小的设置是在启动文件中设置的:

Heap 主要用于 Malloc、Free,动态内存申请和释放。

Stack 也非常重要,程序编译后所包含的大量 PUSH 和 POP 指令操作,系统根据 SP(堆栈指针) 寄存器访问当前对应栈内存,通过栈保存临时数据。大部分的栈都是向下生长的(也有向上生长的)。M 内核的栈是从高地址向低地址生长的,下面通过一个例子演示一下:

__IO uint32_t a = 0x11111111;
__IO uint32_t b = 0x22222222;
__IO uint32_t c = 0x33333333;
__IO uint32_t d = 0x44444444;
__IO uint32_t e = 0x55555555;
__IO uint32_t f = 0x66666666;
__IO uint32_t g = 0x77777777;
__IO uint32_t h = 0x88888888;

在这里插入图片描述

然后进入调试状态,可以看到现在 SP 指针是 0x20000618。

可当我们实际点击单步调试的时候,SP 指针现在又变成了 0x200005F8,0x20000618 - 0x200005F8 等于十进制的 32。也就是说少了 32 个字节。这里是因为程序一来就把这 8 个数据,共 32 个字节的内存分配好了。

当你把 __IO 去掉后,就不会出现以上的情况。__IO 其实就是 volatile,所以在这里就是告诉编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变,因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候,告诉编译器对该变量不做优化,都会直接从变量内存地址中读取数据,从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

下面继续执行,可以看到,数据是从高地址向低地址存储的。

当然,内存空间只是连续字节数据的抽象,本身并不区分堆和栈的概念,它做的只是存储和读写信息。因此,如何定义堆栈、初始化建立堆栈环境,在嵌入式软件运行前便显得尤为重要。这涉及到处理器提供的堆栈机制、操作系统内存管理和进程切换等方方面面。

二、双堆栈用法

下图取自权威指南:

在搭载实时操作系统内核的嵌入式软件中,栈往往分为两大类,除了满足系统基本的主栈(main stack)外,往往还需要进程/线程栈(process stack)。这两部分内存空间是独立存在的:

  • 主栈位于系统的栈区(stack)
  • 而线程堆栈往往定义在堆区(heap)或静态区(static)

无论是静态还是动态创建,线程栈都不会占用栈区的主栈空间。即线程栈并不在栈区,可能在数据区或堆区,再次说明主栈和线程栈内存空间独立。

理解这一点,是理解 MCU 堆栈的关键前提。

所谓双堆栈,本质上都是 R13,不过在不同的运行状态下使用的栈是不同的,并且在同一时刻,只有其中的一个栈可用。在系统复位后、进入线程环境前,默认使用主堆栈,中断服务程序(ISR)中也是使用主堆栈。RTOS 各线程中的应用代码,则使用线程堆栈。

  • 如果使用了双堆栈,那么在中断里只能使用 MSP;而在中断以外,可以使用 MSP,也可以使用 PSP。(不过在 RTOS 里,中断以外全部使用 PSP,后面讲原因)。

上电后,系统仅初始化了 MSP,需要通过额外的汇编代码建立完整的双堆栈系统,当实时内核准备就绪,线程调度正常运行,双堆栈机制开始工作。进中断时系统根据当前状态自动切换堆栈,进程上下文切换时会更新不同线程的 PSP,通过修改 EXC_RETURN 可以手动切换 MSP/PSP。

双堆栈机制使得内核/ISR 堆栈和线程应用堆栈分开管理,通过不同的堆栈指针寄存器完成切换,大大提高了系统的效率,在绝大部分的嵌入式实时操作系统中,都使用了双堆栈机制,如 ucos、FreeRTOS、RT-Thread 等。

在一些简单的应用中,例如裸机程序,可以从头到尾都只使用主堆栈,只要确保分配足够的空间即可。

还是一样,通过例程来看,在刚才的程序下面添加:

__set_PSP(__get_MSP()); /* 设置PSP位置 */
__set_CONTROL(0x02);    /* bit1 = 1表示使用PSP,bit1 = 0表示使用MSP */ 
{
   
   
    __IO uint32_t a1 = 0x11111111;
    __IO uint32_t b1 = 0x22222222;
    __IO uint32_t c1 
ARM Cortex-M架构基本概念 R13寄存器可以作为stack pointer,SP用于记录当前堆栈的地址,当在不同任务中切换时,SP用于保存上下文(一般来说,SP寄存器中的地址是当前正在执行的指令所在的地址)Cortex-m0中可以将SP细化成MSP和PSP:在应用程序中,需要特权访问时使用MSP,例如异常访问和系统内核访问;R14可用于链式寄存器,主要功能:(1)用于保存子程序或者一个程序调用的返回地址 (2)当程序调用结束后,将LR中的返回地址加载到程序计数器(PC)中。(1)R0-R7可以被任意指令访问。 阅读详情

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B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

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