项目地址：https://github.com/leoduu/mimiRTOS
专栏地址：mimiOS
上一章启动第一个线程中，我们通过跳转和 SVC 异常两种方式，完成了第一个线程的启动。这一章我们来完成两个线程并发运行：一个控制 LED 闪烁，一个控制串口输出。
首先优化一下项目结构，将内核，开发板，CPU 架构，app 和测试代码整理一下：
code/
├── bsp/
│ ├── nucleo-l452/ ← CubeMX 工程目录
│ └── board.h
├── kernel/
│ ├── include/
│ ├── src/ ← 内核代码
│ └── utils/ ← 工具
├── ports/ ← cpu适配代码
│ ├── cortex-m/
│ └── portable.h ← 接口
├── app/ ← 用户线程
├── test/ ← 测试代码
└── platformio.ini
线程控制块
我们定义一个数据结构来存放线程信息，记录线程的栈和线程入口信息：
// Thread Control Block
typedef struct {
mimi_node node; // 侵入式链表节点
void *sp; // 线程当前栈指针（唯一会变的字段）
uint32_t stack_size; // 栈大小
void *entry; // 线程入口函数
void *param; // 入口参数
} mimi_tcb;
使用侵入式链表将多个 TCB 串联，考虑到以下几点：
- 切换线程时，只需要移动到下一个节点；
- 一个 node 支持挂载到不同类型的队列，例如线程队列、互斥锁等待队列等；
- 设置多个 node，可以同时挂载到多个队列，例如互斥锁等待队列和定时器超时队列。
链表是双向环形链表，方便链表尾部插入和前驱操作：
struct list_node {
struct list_node *prev;
struct list_node *next;
};
typedef struct list_node mimi_node;
知道了 node 地址，怎么拿到 TCB 地址？借鉴 Linux 内核的写法，根据 node 的地址和结构体偏移进行计算即可：
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
void *__mptr = (void *)(ptr); \
static_assert(__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) || \
__same_type(*(ptr), void), \
"pointer type mismatch in container_of()"); \
((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })
static_assert 可以编译时检查 ptr 的类型和指定的 type->member 是否匹配，编译阶段提前发现 bug。
链表单元测试
链表是整个内核的基石，补充单元测试，在 platformio.ini 新增一个运行环境：
[env:unit]
platform = native
test_build_src = yes
build_flags =
-Itest
-Ikernel/include
-Ikernel/utils
-Ilibcpu
build_src_filter =
+<test/unit/*>
+<kernel/utils/list.c>
执行测试命令 pio test -e unit，全部通过，非常美观的绿色
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线程切换
通过 PendSV 切换线程
PendSV（可挂起的系统调用）是一种可以延迟执行的异常，写入 ICSR 寄存器的 PENDSVSET 标志位进行挂起，等条件合适了再执行。 SVC 异常如果因为优先级不够导致指令执行后没有得到响应，就会触发 HardFault：
ARMv7-M Architecture Reference Manual, B1.5.4 When the current execution priority is less than HardFault, the processor escalates the exception priority to HardFault in the following cases: When the group priority of a pending synchronous fault or Supervisor Call is lower than or equal to the currently executing priority, inhibiting normal preemption.
把 PendSV 异常设置为最低优先级，配合可挂起的特性，异常可以在用户线程或者中断中安全触发，触发时不会抢占任何正在处理的异常，等到所有高优先级异常全部结束后才执行，保证在异常返回前再进行线程切换。
因此，启动第一个线程改为 PendSV 完成，和切换线程能够复用同一套代码。SVC 留作系统调用，让非特权用户线程能访问受 MPU 保护的资源。
上下文切换
线程运行时，寄存器里装的是它此刻的运行现场（PC 指向的代码，SP 指向栈地址，LR 保存返回地址，R0-R12 存着数据，xPSR 存着状态标记），这套现场就是上下文。切换线程，本质就是把当前线程的上下文保存下来，再恢复下一个线程的上下文。
上下文保存在线程自己的栈上，进入异常时硬件自动将 R0-R3、R12、LR、PC 和 xPSR 压栈，剩下的 R4-R11 通过软件手动保存。完成后把更新后的 PSP 写回 mimi_tcb.sp，恢复上下文时就从这里读起。
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分步解析
上下文切换的逻辑跟芯片架构强相关，应该放在 ports 目录下，代码需要操作指定的寄存器，并且使用特殊指令，我们使用汇编代码来实现上下文切换。
上下文切换需要知道当前寄存器现场保存到哪里，下一个现场需要从哪里加载，我们定义两个全局变量 mimi_curr_thread 和 mimi_next_thread，记录需要切换的线程，传递给 PendSV 中断的汇编文件使用。
- 我们把 ICSR（中断控制和状态寄存器）第 28 位 PENDSVSET 置 1，挂起 PendSV 异常：
SCB->ICSR |= SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk;
2. 进入异常处理函数 PendSV_Handler，第一步先关中断：
CPSID I // disable interrupt
3. 首次切换时 mimi_curr_thread 还是 NULL，跳过保存上下文：
LDR R3, =mimi_curr_thread
LDR R1, [R3] // current thread tcb
CBZ R1, switch_to_next // if null, skip saving
4. 手动保存当前线程上下文到 PSP 上，然后更新到 mimi_curr_thread 的 sp。根据 sp 在 tcb 里面的偏移，str 加上 8 字节偏移寻址：
MRS R0, PSP
STMDB R0!, {R4 - R11} // save registers
STR R0, [R1, #8] // save sp back to tcb->sp
5. 接下来加载下一个线程上下文，拿到 tcb->sp，手动恢复 R4-R11，最后将 PSP 寄存器更新为下一个线程的栈 ：
switch_to_next:
LDR R12, =mimi_next_thread
LDR R12, [R12] // next thread tcb
LDR R1, [R12, #8] // pick up tcb->sp
LDMIA R1!, {R4 - R11} // restore R4-R11
MSR PSP, R1 // update PSP
6. 更新记录当前线程的变量
STR R12, [R3] // mimi_curr_thread = mimi_next_thread
7. 恢复中断，异常返回，硬件从新的 PSP 出栈：
CPSIE I // enable interrupt
ORR LR, LR, #0x04 // select PSP as thread stack point
BX LR // return to next thread
栈操作指令
上面汇编代码中用到了 STMDB 和 LDMIA，这两条指令可以将 push 和 pop 操作打包到一条指令：
我们先来看下 Cortex-M 的栈模型，满递减（Full descending stack）模式，特性如下：
- PUSH 操作：先减小 SP，再把数据存到 SP 指向的地址
- POP 操作：从 SP 指向的地址读出数据，再增加 SP
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STMDB（Store Multiple Decrease Before）：先减地址，再存数据。
STMDB R0!, {R4 - R11}
- R0 先减一个字，R0 -= 4
- 把寄存器的值存到 R0 指向的地址，也就是 SP 的地址
- 重复直到 R11 存完
- ! 表示完成后更新 R0 的值
LDMIA（Load Multiple Increase After）：先取数据，再增地址。跟 STMDB 相反。
LDMIA R1!, {R4 - R11}
- 从 [R1] 加载数据到寄存器
- R1 增加一个字，R1 += 4
- 重复直到 R11 加载完成
- 更新 R1 的值
系统初始化
重定向 main
作为一个 RTOS，需要接管整个系统的运行，自然包括系统开始流程。在 startup_stm32l452xx.s 文件里复位函数最后，改为跳转到 mimiOS 的 main 函数，然后完成各个模块的初始化。原本的 main 函数，放到 bsp 的初始化函数 mimi_board_init() 完成：
/* Call the application's entry point.*/
- bl main
==============
+ bl mimi_main
芯片初始化
原来 main 函数的芯片初始化以及 HAL 库初始化，放到开发板的初始化完成：
void mimi_board_init(void)
{
main();
NVIC_SetPriority(PendSV_IRQn, 0x0F); // lowest
}
自动初始化
相信大家总会遇到初始化的烦恼，应用初始化需要调用 xxx_init()，得找个地方加上头文件，然后再找个地方显式调用，侵入式修改公共模块，非常丑陋，那有没有优雅的解决方案呢？有的兄弟有的。
我们可以将这些初始化函数按照一定顺序存放到指定的内存段，在 OS 初始化阶段遍历内存段，调用初始化函数，达到自动初始化的效果。
在 export.h 可以看到一组宏，在函数的附近调用 MIMI_INIT_xxx_EXPORT 宏，会生成一个全局变量，存放该初始化函数的地址，并且该变量会被指定存放到 .mimi_init_fn.x 内存段上。
typedef int (*init_fn_t)(void);
#define INIT_EXPORT(fn, level) \
mimi_used const init_fn_t __mimi_init_##fn \
__attribute__((section(".mimi_init_fn." level))) = fn
#define MIMI_INIT_DEVICE_EXPORT(fn) INIT_EXPORT(fn, "0")
#define MIMI_INIT_APP_EXPORT(fn) INIT_EXPORT(fn, "1")
我们在链接文件 STM32L452XX_FLASH.ld 新增一段 flash 区域：.mimi_data，使用 SORT 按照字典序从小到大排列。在内存段开始和结尾的地方加上一个标签记录地址。
.mimi_data :
{
. = ALIGN(8);
__mimi_init_start = .;
KEEP (*(SORT(.mimi_init_fn*)))
__mimi_init_end = .;
. = .;
} >FLASH
读取 start 和 end 标签的地址然后遍历，拿到的就是各个模块的初始化函数地址。
void mimi_component_init(void)
{
extern const size_t __mimi_init_start;
extern const size_t __mimi_init_end;
volatile const init_fn_t *fn_ptr;
for (fn_ptr = (init_fn_t *)&__mimi_init_start;
fn_ptr < (init_fn_t *)&__mimi_init_end; fn_ptr++) {
(*fn_ptr)();
}
}
线程初始化
调用 mimi_thread_init() 初始化线程，线程 TCB 的 node 节点挂载到 mimi_thread_list，旋转链表就可以找到下一个线程。
栈帧初始化
上一章讲到，线程第一次运行时，需要在栈上提前准备好异常栈帧，将寄存器初始化，这段逻辑是跟芯片架构相关的，代码放到 ports/cortex-m/ 目录。需要注意栈地址必须要 8 字节对齐，赋值前进行一次向下取整。
void *mimi_stack_init(void *entry, void *param, void *stack, uint32_t size)
{
uint8_t *stack_addr;
stack_addr = (uint8_t *)stack + size - sizeof(mimi_stack_frame);
stack_addr = (uint8_t *)mimi_align_down((uint32_t)stack_addr, 8);
mimi_stack_frame *stack_frame = (mimi_stack_frame *)stack_addr;
for (int i = 0; i < sizeof(mimi_stack_frame) / sizeof(uint32_t); i++) {
((uint32_t *)stack_frame)[i] = 0;
}
stack_frame->r0 = (uint32_t)param;
stack_frame->pc = (uint32_t)entry;
stack_frame->psr = (uint32_t)0x01000000UL; // set Thumb flag bit
return (void *)stack_addr;
}
其他配置
PlatformIO 配置文件添加规则，过滤掉 CubeMX 生成的中断函数文件，避免 PendSV_Handler 重复定义：
build_src_filter =
-<bsp/nucleo-l452/Core/Src/stm32l4xx_it.c>
HAL 库默认依赖 SysTick 中断进行计时，比如 HAL_Delay() 函数，我们补上 SysTick_Handler 实现：
// bsp\nucleo-l452\board.c
void SysTick_Handler(void) {
HAL_IncTick();
}
用户线程
核心切换机制我们已经清楚了，下面写两个线程来验证：一个点灯，一个串口打印。线程完成操作后各自等待 500ms，调用 mimi_thread_yield() 触发线程切换，两个线程交替运行。
void led_thread_entry(void *param)
{
while (1) {
HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
HAL_Delay(500);
mimi_thread_yield();
}
}
void uart_thread_entry(void *param)
{
int32_t cnt = 0;
while (1) {
printf("count:%ld\n", cnt++);
HAL_Delay(500);
mimi_thread_yield();
}
}
void app_init(void)
{
mimi_thread_init(&led_thread,
led_thread_stack, STACK_SIZE,
led_thread_entry, NULL);
mimi_thread_init(&uart_thread,
uart_thread_stack, STACK_SIZE,
uart_thread_entry, NULL);
}
MIMI_INIT_APP_EXPORT(app_init);
有了自动初始化，我们不需要再找个地方调用 app_init() 了！编译烧录，上机运行：LED 闪烁，串口每秒打印。在 PendSV 中断函数打上断点进行调试，可以观察到 PSP 的值在 led_thread.sp 和 uart_thread.sp 之间切换。
