Cortex-M 内核的 OS 特性

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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;

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