RTOS的基本概念与线程基础知识

1 RTOS概念及线程的引入

1.1 RTOS的概念

用人来类比单片机程序和RTOS：

妈妈要一边给小孩喂饭，一边加班跟同事交流，怎么办？
对于单线条的人，不能分心，不能同时做事，她只能这样做：

• 给小孩喂一口饭
• 瞄一眼电脑，有信息就去回复
• 再回来给小孩喂一口饭
• 如果小孩吃这口饭太慢，他回复同事的信息也就慢了，被同事催，你半天都不回复我?
• 如果回复同事的信息要写一大堆，小孩就饿的大哭起来

对于眼明手快的人，她可以一心多用，她这样做：

• 左手拿勺子，给小孩喂饭
• 右手敲键盘，恢复同事
• 两不耽误，小孩“以为”妈妈在专心喂饭，同事以为“她在专心聊天”
• 但是脑子只有一个啊，虽然说一心多用，但是谁能够同时考虑两件事？
• 只是她反应快，上一秒钟在考虑夹哪个菜给小孩，下一秒钟考虑给同事回复什么信息

这种做法，在软件开发上，就是使用操作系统， 在单片机里叫做使用RTOS

RTOS的意思是：Real Time Operating System,即实时操作系统，但使用Windows，我们经常碰到程序卡死、停顿的现象，日常生活中，这是可以忍受的，但是在电梯系统中，你按住开门键时如果没有即刻反应，即使知识慢个一秒钟，也会夹住人，在专用的电子设备中，实时性很重要

1.2 程序简单示例：

//经典单片机程序
void main()
{
 
    while(1)
    {
 
        喂一口饭();
        回一条消息();
 
    }
 
 
}
 
//RTOS程序
int a;
喂饭（） 栈A
{
    int b=2;
    int c;
    c = a+b;==>1.b+2,2,c=new val
    --------------------------->切换
    while(1)
    {
        喂一口饭();
    
 
    }
 
 
}
 
回信息（） 栈B
{
    int b;
    while(1)
    {
        回一个消息();
 
 
 
    }
 
}
 
void main()
{
    create_task(喂饭);
    create_task(回信息);
    start_scheduler();
    while(1)
    {
        sleep();
 
    }
 
}

 1.2 提出问题

什么叫线程？回答这个问题之前，先想想怎么切换线程？怎么保存线程？

• 线程是函数吗？函数需要保存吗？函数在Flash上，不会被破坏，无需保存
• 函数里用到的全局变量，全局变量需要保存吗？全局变量在内存上，还能保存到哪里去？全局变量无需保存
• 函数里用到了局部变量，局部变量需要保存吗？局部变量在栈里面，也是在内存里，只要避免栈被破坏即可，局部变量无需保存
• 运算的中间值需要保存吗？中间值保存在哪里？在CPU寄存器里，另一个线程也要用到CPU寄存器，所以CPU寄存器需要保存
• 保存在哪里？保存在线程的栈里面
• 怎么理解CPU寄存器，怎么理解栈？

2.1 ARM架构及汇编

ARM芯片属于精简指令集计算机（RISC:Reduced Instruction Set Computor），它所用的指令比较简单，有如下特点：

1、对内存只有读、写指令

2、 对于数据的运算是在CPU内部实现

3、 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计

对于比如a= a+b这样的算式，需要经过下面四个步骤才可以实现：

细看这几个步骤，有些疑问：

1、读a,那么a的值读出来后保存在CPU哪里？
2、读b，那么b的值都出来之后保存在哪里？

3、a+b的结果又保存在哪里？

这些问题都涉及到ARM处理器的内部，简单概括如下，我们先忽略各种CPU模式，用户模式等。 

CPU运行时，先去取指令，再执行指令

1）把内存a的值读入CPU寄存器R0

2）把内存b的值读入CPU寄存器R1

3）把R0和R1累计存入R0

4）把R0的值写入内存a

CPU内部寄存器分类

CPU内至少应该有数据缓冲寄存器，栈指针类寄存器、程序指针类寄存器、程序状态类寄存器及其他功能寄存器

1、数据缓冲寄存器

CPU内数量最多的寄存器是数据缓冲寄存器，名字用寄存器英文Register的首字母加数字组成，如R0、R1、R2等，不同的CPU其种类不同。

2、栈指针类寄存器

在计算机编程中有全局变量和局部变量的概念。从存储器的角度来看，对一个具有独立功能的完整程序来说，全局变量具有固定的地址，每次读写都是那个地址。而在一个子程序中开辟的局部变量则不同，用RAM中的哪个地址是不确定的，采用“后进先出”的原则使用一段RAM区域，这段区域被称为栈区。它有一个栈底的地址， 是一开始就确定的，当有数据进栈或者出栈时，地址就会连续变动，不然就放到同一个存储地址中了，CPU需要有个地方保存这个不断变化的地址，这就是栈指针（SP）寄存器。

3、程序指针类寄存器

计算机的程序存储在存储器中，CPU中有个寄存器指示将要执行的指令在存储器中的位置，这就是程序指针类寄存器。在许多CPU中，它的名字叫做程序计数器寄存器（PC），它负责告诉CPU将要执行的指令在存储器的什么地方。

4、程序运行状态类寄存器

CPU在进行计算过程中，会出现诸如进位、借位结果为0、溢出等情况，CPU内需要有个地方把他们保存下来，以便下一条指令结合这些情况进行处理，这类寄存器就是程序状态类寄存器，不同的CPU其名称不同，有的叫做标志寄存器，有的叫做程序状态字寄存器。

5、其他功能寄存器

不同的CPU中，除了具有数据缓冲，栈指针、程序指针、程序运行状态寄存器之外、还有表示浮点数运算、中断屏蔽等寄存器。

ARM Cortex-M中的寄存器

ARM Cortex-M处理器的寄存器主要有R0-R15及3个特殊功能寄存器，如上图所示，其中R0-R12为通用寄存器，R13为堆栈指针寄存器（SP）、R14是连接寄存器，R15为程序计数器（PC），特殊功能寄存器有预定义的功能，而且必须通过专用的指令来访问。

几条汇编指令

需要掌握的汇编指令并不多，只有几条。

• 读内存指令：LDR，即Load之意
• 写内存指令：STR，即Store之意
• 加减指令：ADD与SUB
• 跳转：BL，即Branch And Link 
• 出栈指令：POP
• 入栈指令：PUSH

汇编并不复杂：

加载/存储指令

加载指令LDR：LDR r0,[addrA]意思就是将地址addrA的内容加载到R0中

存储指令STR:  STR r0,[addrA]意思就是将r0的值存储到地址addrA上

加法运算指令ADD：ADD r0,r1,r2意思为：r0=r1+r2

减法运算指令SUB：SUB r0,r1,r2意思为：r0=r1-r2

寄存器入栈/出栈指令

函数运行的本质

如下是一个简单的程序，主函数里调用函数add_val():
 

void add_val(int *pa,int *pb)
{
    volatile int tmp;
    
    tmp = *pa;
    tmp = tmp + *pb;
    *pa = tmp;
}
 
int main(void)
{
 
    int a =1 ;    
    int b = 2;
    add_val(&a,&b);
 
    return 0;
 
 
 
}

 其中调用add_val函数的汇编代码如下：