一、什么是PendSV
PendSV是可懸起異常，如果我們把它配置最低優先級，那么如果同時有多個異常被觸發，它會在其他異常執行完畢后再執行，而且任何異常都可以中斷它。更詳細的內容在《Cortex-M3 權威指南》里有介紹，下面我摘抄了一段。
OS 可以利用它“緩期執行”一個異常——直到其它重要的任務完成后才執行動 作。懸起 PendSV 的方法是：手工往 NVIC的 PendSV懸起寄存器中寫 1。懸起后，如果優先級不夠 高，則將緩期等待執行。
PendSV的典型使用場合是在上下文切換時（在不同任務之間切換）。例如，一個系統中有兩個就緒的任務，上下文切換被觸發的場合可以是：
1、執行一個系統調用
2、系統滴答定時器（SYSTICK）中斷，（輪轉調度中需要）
讓我們舉個簡單的例子來輔助理解。假設有這么一個系統，里面有兩個就緒的任務，並且通過SysTick異常啟動上下文切換。但若在產生 SysTick 異常時正在響應一個中斷，則 SysTick異常會搶占其 ISR。在這種情況下，OS是不能執行上下文切換的，否則將使中斷請求被延遲，而且在真實系統中延遲時間還往往不可預知——任何有一丁點實時要求的系統都決不能容忍這 種事。因此，在 CM3 中也是嚴禁沒商量——如果 OS 在某中斷活躍時嘗試切入線程模式，將觸犯用法fault異常。
為解決此問題，早期的 OS 大多會檢測當前是否有中斷在活躍中，只有在無任何中斷需要響應 時，才執行上下文切換（切換期間無法響應中斷）。然而，這種方法的弊端在於，它可以把任務切 換動作拖延很久（因為如果搶占了 IRQ，則本次 SysTick在執行后不得作上下文切換，只能等待下 一次SysTick異常），尤其是當某中斷源的頻率和SysTick異常的頻率比較接近時，會發生“共振”， 使上下文切換遲遲不能進行。現在好了，PendSV來完美解決這個問題了。PendSV異常會自動延遲上下文切換的請求，直到 其它的 ISR都完成了處理后才放行。為實現這個機制，需要把 PendSV編程為最低優先級的異常。如果 OS檢測到某 IRQ正在活動並且被 SysTick搶占，它將懸起一個 PendSV異常，以便緩期執行 上下文切換。
使用 PendSV 控制上下文切換個中事件的流水賬記錄如下：
1. 任務 A呼叫 SVC來請求任務切換（例如，等待某些工作完成）
2. OS接收到請求，做好上下文切換的准備，並且懸起一個 PendSV異常。
3. 當 CPU退出 SVC后，它立即進入 PendSV，從而執行上下文切換。
4. 當 PendSV執行完畢后，將返回到任務 B，同時進入線程模式。
5. 發生了一個中斷，並且中斷服務程序開始執行
6. 在 ISR執行過程中，發生 SysTick異常，並且搶占了該 ISR。
7. OS執行必要的操作，然后懸起 PendSV異常以作好上下文切換的准備。
8. 當 SysTick退出后，回到先前被搶占的 ISR中，ISR繼續執行
9. ISR執行完畢並退出后，PendSV服務例程開始執行，並且在里面執行上下文切換
10. 當 PendSV執行完畢后，回到任務 A，同時系統再次進入線程模式。
我們在uCOS的PendSV的處理代碼中可以看到：
OS_CPU_PendSVHandler CPSID I ; 關中斷 ;保存上文 ;....................... ;切換下文 CPSIE I ;開中斷 BX LR ;異常返回
它在異常一開始就關閉了中端，結束時開啟中斷，中間的代碼為臨界區代碼，即不可被中斷的操作。PendSV異常是任務切換的堆棧部分的核心，由他來完成上下文切換。PendSV的操作也很簡單，主要有設置優先級和觸發異常兩部分：
NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; 中斷控制寄存器 NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; 系統優先級寄存器(優先級14). NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF ; PendSV優先級(最低).
NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; PendSV觸發值 ; 設置PendSV的異常中斷優先級 LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI STRB R1, [R0] ; 觸發PendSV異常 LDR R0, =NVIC_INT_CTRL LDR R1, =NVIC_PENDSVSET STR R1, [R0]
二、堆棧操作
Cortex M4有兩個堆棧寄存器，主堆棧指針（MSP）與進程堆棧指針（PSP），而且任一時刻只能使用其中的一個。MSP為復位后缺省使用的堆棧指針，異常永遠使用MSP，如果手動開啟PSP，那么線程使用PSP，否則也使用MSP。怎么開啟PSP？
MSR PSP, R0 ; Load PSP with new process SP ORR LR, LR, #0x04 ; Ensure exception return uses process stack
很容易就看出來了，置LR的位2為1，那么異常返回后，線程使用PSP。
寫OS首先要將內存分配搞明白，單片機內存本來就很小，所以我們當然要斤斤計較一下。在OS運行之前，我們首先要初始化MSP和PSP，OS_CPU_ExceptStkBase是外部變量，假如我們給主堆棧分配1KB（256*4）的內存即OS_CPU_ExceptStk[256],則OS_CPU_ExceptStkBase=&OS_CPU_ExceptStk[256-1]。
EXTERN OS_CPU_ExceptStkBase ;PSP清零，作為首次上下文切換的標志 MOVS R0, #0 MSR PSP, R0 ;將MSP設為我們為其分配的內存地址 LDR R0, =OS_CPU_ExceptStkBase LDR R1, [R0] MSR MSP, R1
然后就是PendSV上下文切換中的堆棧操作了，如果不使用FPU，則進入異常自動壓棧xPSR，PC，LR，R12，R0-R3，我們還要把R4-R11入棧。如果開啟了FPU，自動壓棧的寄存器還有S0-S15，還需吧S16-S31壓棧。
MRS R0, PSP SUBS R0, R0, #0x20 ;壓入R4-R11 STM R0, {R4-R11} LDR R1, =Cur_TCB_Point ;當前任務的指針 LDR R1, [R1] STR R0, [R1] ; 更新任務堆棧指針
出棧類似，但要注意順序
LDR R1, =TCB_Point ;要切換的任務指針 LDR R2, [R1] LDR R0, [R2] ; R0為要切換的任務堆棧地址 LDM R0, {R4-R11} ; 彈出R4-R11 ADDS R0, R0, #0x20 MSR PSP, R0 ;更新PSP
三、OS實戰
新建os_port.asm文件，內容如下：
NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; Interrupt control state register. NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; System priority register (priority 14). NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF ; PendSV priority value (lowest). NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; Value to trigger PendSV exception. RSEG CODE:CODE:NOROOT(2) THUMB EXTERN g_OS_CPU_ExceptStkBase EXTERN g_OS_Tcb_CurP EXTERN g_OS_Tcb_HighRdyP PUBLIC OSStart_Asm PUBLIC PendSV_Handler PUBLIC OSCtxSw OSCtxSw LDR R0, =NVIC_INT_CTRL LDR R1, =NVIC_PENDSVSET STR R1, [R0] BX LR ; Enable interrupts at processor level OSStart_Asm LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 ; Set the PendSV exception priority LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI STRB R1, [R0] MOVS R0, #0 ; Set the PSP to 0 for initial context switch call MSR PSP, R0 LDR R0, =g_OS_CPU_ExceptStkBase ; Initialize the MSP to the OS_CPU_ExceptStkBase LDR R1, [R0] MSR MSP, R1 LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ; Trigger the PendSV exception (causes context switch) LDR R1, =NVIC_PENDSVSET STR R1, [R0] CPSIE I ; Enable interrupts at processor level OSStartHang B OSStartHang ; Should never get here PendSV_Handler CPSID I ; Prevent interruption during context switch MRS R0, PSP ; PSP is process stack pointer CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; Skip register save the first time SUBS R0, R0, #0x20 ; Save remaining regs r4-11 on process stack STM R0, {R4-R11} LDR R1, =g_OS_Tcb_CurP ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP; LDR R1, [R1] STR R0, [R1] ; R0 is SP of process being switched out ; At this point, entire context of process has been saved OS_CPU_PendSVHandler_nosave LDR R0, =g_OS_Tcb_CurP ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy; LDR R1, =g_OS_Tcb_HighRdyP LDR R2, [R1] STR R2, [R0] LDR R0, [R2] ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr; LDM R0, {R4-R11} ; Restore r4-11 from new process stack ADDS R0, R0, #0x20 MSR PSP, R0 ; Load PSP with new process SP ORR LR, LR, #0x04 ; Ensure exception return uses process stack CPSIE I BX LR ; Exception return will restore remaining context END
main.c內容如下：
#include "stdio.h" #define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024 #define TASK_1_STK_SIZE 1024 #define TASK_2_STK_SIZE 1024 typedef unsigned int OS_STK; typedef void (*OS_TASK)(void); typedef struct OS_TCB { OS_STK *StkAddr; }OS_TCB,*OS_TCBP; OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP; OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP; static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE]; OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase; static OS_TCB TCB_1; static OS_TCB TCB_2; static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE]; static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE]; extern void OSStart_Asm(void); extern void OSCtxSw(void); void Task_Switch() { if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1) g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2; else g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1; OSCtxSw(); } void task_1() { printf("Task 1 Running!!!\n"); Task_Switch(); printf("Task 1 Running!!!\n"); Task_Switch(); } void task_2() { printf("Task 2 Running!!!\n"); Task_Switch(); printf("Task 2 Running!!!\n"); Task_Switch(); } void Task_End(void) { printf("Task End\n"); while(1) {} } void Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk) { OS_STK *p_stk; p_stk = stk; p_stk = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u); *(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL; //xPSR *(--p_stk) = (OS_STK)task; // Entry Point *(--p_stk) = (OS_STK)Task_End; // R14 (LR) *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL; // R12 *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL; // R3 *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL; // R2 *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL; // R1 *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u; // R0 *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL; // R11 *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL; // R10 *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL; // R9 *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL; // R8 *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL; // R7 *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL; // R6 *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL; // R5 *(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL; // R4 tcb->StkAddr=p_stk; } int main() { g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1; Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]); Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]); g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1; OSStart_Asm(); return 0; }
編譯下載並調試：
在此處設置斷點
此時寄存器的值，可以看到R4-R11正是我們給的值，單步運行幾次，可以看到進入了我們的任務task_1或task_2，任務里打印信息，然后調用Task_Switch進行切換，OSCtxSw觸發PendSV異常。
IO輸出如下：
至此我們成功實現了使用PenSV進行兩個任務的互相切換。之后，我們使用使用SysTick實現比較完整的多任務切換。