ARM异常处理(4)：SVC和PendSV的作用详解

tilblackout

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分类专栏： ARM 文章标签： arm

于 2022-12-05 18:32:45 首次发布

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本文详细介绍了SVC(SupervisorCall)和PendSV(PendableServiceCall)两种异常处理机制。SVC用于生成系统函数调用，允许用户程序通过操作系统间接访问硬件资源；PendSV则用于操作系统中的上下文切换，通过挂起异常实现任务间的平滑过渡。

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SVC(Supervisor Call)和PendSV(Pendable Service Call)是针对软件和操作系统的两个异常。

1 SVC

SVC用于生成系统函数调用，例如，用户程序不允许直接访问硬件，操作系统可以通过SVC提供对硬件的访问。因此，当用户程序想要使用某些硬件时，可以使用SVC指令，然后执行操作系统中的软件异常处理程序，并提供用户应用程序请求的服务。通过这种方式，对硬件的访问由操作系统控制，操作系统可以阻止用户应用程序直接访问硬件，从而提供更可靠的系统。

SVC还可以使软件更具可移植性，因为用户程序不需要知道硬件的编程细节。用户程序只需要知道应用程序编程接口(API)函数ID和参数，而实际的硬件级编程是由设备驱动程序处理的。
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SVC异常由SVC指令产生，该指令需要一个立即数作为参数，根据这个参数执行不同的SVC处理函数。例：

SVC #0x3 ; 调用SVC函数3
SVC 0x3 ;   传统的语法(没有#)也可行

在C语言中，可以使用编译器关键字函数__svc或者使用内联汇编代码来执行SVC指令。

对于操作系统来说，当SVC处理程序被执行时，我们可以通过读取堆栈中的PC值来确定SVC指令中的立即数据值，然后从该地址读取指令并屏蔽不需要的位。如果使用的PSP堆栈，则还需要通过LR寄存器判断当前使用的是哪个堆栈。

SVC和软件中断指令(ARM7)
在ARM7中有一个软件中断指令SWI(Software interrupt instruction)。实际上，SVC指令的二进制编码与ARM7中的SWI是相同的。由于异常模型发生了变化，这条指令被重命名，以确保程序员能够正确地将软件代码从ARM7移植到Cortex-M3。

由于Cortex-M3中的中断优先级模型，我们不能在SVC处理程序中使用SVC指令(因为优先级与当前优先级相同)，这样做将导致Usage fault。出于同样的原因，在NMI处理程序或Hard fault处理程序中使用SVC也是不允许的。

2 PendSV

PendSV与操作系统中的SVC协同工作。SVC不能挂起，它将立即被执行；而PendSV可以暂时挂起异常，对于操作系统来说这很有用，它可以等待一个重要的任务执行完毕后再处理该异常。

PendSV异常通过向NVIC Interrupt Control State Register中的PENDSVSET置1来产生。

PendSV的一个典型应用就是上下文切换。例如，一个系统可能有两个任务，上下文切换可以通过调用SVC函数或被Systick触发。
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如果中断请求发生在Systick异常之前，Systick异常将抢占IRQ处理程序。在这种情况下，操作系统不应该进行上下文切换，否则IRQ处理程序进程将被延迟执行。对于Cortex-M3，如果操作系统在中断active时试图切换到线程模式，可能会产生Usage fault，如下图所示：
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为了避免延迟处理IRQ处理的问题，一些操作系统在没有任何IRQ处理程序正在执行时才执行上下文切换。但这可能导致任务切换有很大的延迟，特别是当中断源的频率接近Systick异常的频率时。

PendSV异常通过延迟上下文切换请求直到IRQ处理程序完成来解决这个问题。为此，PendSV异常的优先级设置为最低，如果操作系统检测到一个IRQ当前处于活动状态(IRQ处理程序正在运行并且被Systick抢占)，它通过挂起PendSV异常来延迟上下文切换。如下图所示：
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(1)任务A调用SVC进行任务切换(如等待其它任务释放一个信号量)
(2)操作系统接收请求，准备上下文切换，并挂起PendSV异常。
(3)当CPU退出SVC时，它立即进入PendSV并进行上下文切换。
(4)当PendSV完成并返回到线程级别时，它执行任务B。
(5)IRQ产生并进入中断处理程序
(6)当运行中断处理程序时，发生Systick异常
(7)操作系统执行基本操作，然后挂起PendSV异常，为上下文切换做好准备
(8)当SYSTICK异常退出时，它返回到中断服务例程。
(9)当中断服务例程完成时，PendSV启动并执行实际的上下文切换操作。
(10)当PendSV完成时，程序返回到线程级别，继续执行任务A

------2023.12.13
SVC和PendSV的区别
SVC指令要求SVC异常的优先级高于当前优先级级别，并且该异常未被类似于PRIMASK的屏蔽寄存器屏蔽。否则，将触发错误异常。因此，在NMl处理程序或HardFault处理程序中，我们不能使用SVC，因为这些处理程序的优先级始终高于SVC异常。

总得来说就是SVC由用户调用SVC #<immed>时立即触发，而PendSV则是置相应的异常标志位，等待比PendSV优先级高的异常执行完后，再执行PendSV。

在FreeRTOS中，使用SVC异常来开启第一个任务的调度。然后将PendSV异常优先级设置为最低，保证中断的实时性，后续的上下文切换全由PendSV来实现。