Arm Cortex R52与TC3xx Aurix上下文切换对比

目录

1.Arm Cortex R52上下文切换

2.英飞凌TC3xx的CPU上下午切换

2.1 上下文类型

2.2 Task Switching Operation 

2.3 Context管理寄存器

 2.4 各种事件的上下文切换

2.4.1 中断/Trap的上下文切换

2.4.2 函数调用的上下文切换

2.4.3 FCALL/FRET的上下文切换

2.5 Context Save、Restore操作

2.6 Context 切换性能特性

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1.Arm Cortex R52上下文切换

        R52采用Armv8-r 架构，因此根据Arm® Architecture Reference Manual Supplement Armv8：

• 发生异常

        PE(Process element)将状态上下文保存到SP寄存器指向的堆栈。

        保存的上下文状态如下：

1. RETPSR：Combined Exception Return Program Status Registers

1. ReturnAddress.
2. LR(R14)：Link Register
3. R12(General-Purpose Register) 
4. R3-R0.

• Task上下文切换

        按照发生异常时硬件存储的内容，使用汇编代码来实现；

2.英飞凌TC3xx的CPU上下午切换

        在嵌入式实时控制系统中，任务是一个独立的控制线程。任务的状态由其上下文定义。当一个任务被中断时，处理器使用该任务的上下文重新启用该任务的继续执行。

2.1 上下文类型

上下文类型可以分为：

• Upper Context：
  1. upper地址寄存器A[10]--A[15]；
  2. upper数据寄存器 D[8]--D[15];
  3. PCXI
  4. PSW
• Lower Contex：
  1. Lower 地址寄存器A[2]--A[7]
  2. Lower 数据寄存器D[0]--D[7]
  3. A[11] Return Address
  4. PCXI

        上下文存放在内存中，占16word，被称为Context Save Areas，举例如下：

        CSA使用的是固定大小的链表，通过LinkWord进行连接，从上图可以看到，LinkWord和PCXI的布局都在同一位置，而LinkWrod结构如下图所示： 

        根据芯片手册上PCXI的描述

        可以看到LW只关注Segment和Offset，PCXI不仅关注上述内容，还要关注Context Tag、PIE和PCPN。

        LW只关注Segment和Offset的原因是用于生成链接CSA的有效地址，生成方式如下：

2.2 Task Switching Operation 

         从上表可以看到，上述7种事件或指令触发时，upper/lower context会被保存或恢复；其中当外部中断、trap或函数调用时，upper context会自动保存；lower context通过软件指令保存。

        SAVE操作是通过从LW中读取FCX的下一个值，存储在FCX(Free CSA List Head Pointer)寄存器中;

        STORE操作是通过指令的有效地址来进行存储，不需要对CSA list或者FCX寄存器进行更改。

        Restore是save的反向操作；load是store的反向操作。

        需要注意的是upper和lower contexts在寄存器内容保持的角度上有较大差别。

        Upper cotext 寄存器不能保证是静态硬件寄存器，例如函数调用、中断总是从私有的upper context 寄存器开始运行，并且不被继承。

        Lower context 寄存器与全局寄存器类似；trap、interrupt、function里看到的值与调用前的寄存器值一样；在上述3个事件里对寄存器值的任何操作会在事件返回后仍然存在。所以可以使用 lower context向调用函数传递参数，并从这些函数里返回值。

2.3 Context管理寄存器

Context save和restore寄存器是context 管理寄存器的指针，如下：

• FCX(Free CSA List Head Pointer)

        用于保存free CSA list 头指针，它总是指向一个可用的CSA，结构如下：

         FCXO和FCXS一起使用，指向下一个可用的CSA.

• PCX(Previous Context Pointer)

        PCX保存了上一个任务的CSA的地址。PCX是PCXI寄存器的一部分。

• LCX(Free CSA List Limit Pointer)

        用于识别即将到来的free CSA list损耗。如果发生一个context save操作，并且FCX和LCX的值匹配，则自动识别条件“free context depletion”，完成context保存操作后立即触发FDC trap。LCX结构如下：

 2.4 各种事件的上下文切换

2.4.1 中断/Trap的上下文切换

发生上述事件时，处理器首先保存当前任务的upper context到内存中，挂起当前任务，并开始执行中断或者trap。

2.4.2 函数调用的上下文切换

发生此类事件时，必须保存 calling routine的上下文并restore，以便在函数返回后恢复调用方的继续执行。整个硬件来保存upper上下文。此外，可以直接使用指令CALL来进行upper context保存并且调用跳转，RET指令恢复上下文，返回跳转。

2.4.3 FCALL/FRET的上下文切换

        在不需要保存和恢复的upper context寄存器的情况下，可以优先使用FCALL指令。该指令执行跳转，并且并行地将当前返回地址A11保存到堆栈中，不保存其他状态

2.5 Context Save、Restore操作

        下图展示free 和 previous context 链表如何进行save操作。

         上图可以看到FCX指向的是FreeContextList，分别是CSA3-4-5，PCX链表为PCX-CSA2-1。

当发生CSA操作时，FreeContextList的第一个CSA会被拉出放置到previous context list首端。

        

        具体操作如下：

1.CSA3中链接字的内容被加载到NEW_FCX中。NEW_FCX现在指向CSA4。NEW_FX是内部缓冲区，用户无法访问。

2.PCX的内容被写入CSA3的链接字。CSA3链接字现在指向CSA2。

3.FCX的内容写入PCX。PCX现在指向CSA3，它位于先前上下文列表的前面。

4.NEW_FCX加载到FCX中

        

RESTORE操作为反向操作：

        CSA3拉出来存取NEW_PCX，Linkto2给NEW_PCX，FCX中linkto4给CSA3的LW，PCX内容赋给FCX，FCX指向CSA3，NEW_PCX存取PCX。

 

2.6 Context 切换性能特性

        Tricore对函数调用、trap、中断使用统一的上下文切换方式。在所有情况下，任务的Upper context都由硬件自动保存或恢复；对lower context的保存和恢复可由软件实现。上下文存储的位置有不同的性能表现。

        CSA存放在DSPR或从DSPR恢复，花费4个cycle；

        CSA存放在DLMU或从DLMU恢复，花费8个cycle；

        CSA存放在cached 外部内存，最好的情况花费8个cycle。

下表为 CSA控制流指令耗时

         实际时间需要根据时钟频率来估算，

        例如时钟频率为100MHz，CSA存放在DSPR，产生中断时CSA保存耗费时间为4cycle*1/100000000 = 40ns，restore耗费时间为4cycle*1/100000000 = 40ns，总计80ns。