系统函数的修改 - Cortex-M3内核的μC/OSII性能研究

4.2 系统函数的修改

　　用户任务工作在用户级下，操作系统函数工作在特权级下，任务可能会在执行系统函数时执行上下文切换，因此系统要记录任务切换时是处在特权级还是用户级下，以便任务再次获得处理器控制权时，切换到原先的访问等级下。在任务创建时，加入访问权限参数mode。

　　权限的值定义为：

　　#define OS_Mode_USER 1u //用户级

　　#define OS_Mode_PRIVILEGE 0u //特权级

　　在创建任务函数与堆栈初始函数的参数中加入访问权限参数，形式如下：

　　INT8U OSTaskCreateExt (……,INT8U mode );

　　OS_STK *OSTaskStkInit (……,INT8U mode);

　　在堆栈初始化时，把mode最后存到堆栈当中，以便任务第一次运行时进入相应的工作模式(特权级或用户级)。统计任务和空闲任务的mode是OS_Mode_PRIVILEGE，而用户任务为OS_Mode_USER。

　　4.3 OS_CPU_A.ASM文件中函数的修改

　　在OS_CPU_A.ASM文件中，只需修改函数PendSV_Handler(PendSV服务例程)，任务切换是由它来完成的。同时，设置PendSV的优先级为最低，以便快速响应中断，提高系统的实时性。PendSV服务例程的流程如图3所示。

　　

 

　　图3 PendSV服务例程流程

　　任务切换上文的程序：

　　SUBS R0,R0,#0x24;调整PSP指针，mode、R4~R11共36字节

　　MRS R1,CONTROL;获取当前任务的访问等级mode

　　STM R0,{R1,R4R11};压栈mode，R4~R11

　　LDR R1,=OSTCBCur;获取OSTCBCur?﹥OSTCBStkPtr

　　LDR R1,[R1]

　　STR R0,[R1];存储PSP值到任务控制块切换下文的程序：

　　……;OSPrioCur=OSPrioHighRdy;

　　……;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;

　　……;得到新任务的PSP值，存储到R0中

　　LDM R0,{R1,R4R11};R1(mode),R4~R11出栈

　　MSR CONTROL,R1;修改CONTROL[0]

　　ORR LR,LR,#0x04;选择返回时使用的堆栈

　　ADDS R0,R0,#0x24;调整PSP值

　　MSR PSP,R0;R0存入PSP中

　　4.4 系统函数的使用

　　系统函数都是在特权级下执行的，在应用程序中调用系统函数前应该切换到特权级，系统函数执行完毕后再切换后用户级。调用形式如下：

　　ToPrivilege ();

　　OSFunction(Parameter1, Parameter2……);//系统函数

　　ToUser ();

　　在特权级下可以通过置位CONTROL[0]来进入用户级。用户级下是不能通过修改CONTROL[0]来回到特权级的，必须通过一个异常handler来修改CONTROL[0]，才能在返回到线程模式后取得特权级。因此，从用户级到特权级的方法就是产生一个异常，再在异常例程中修改CONTROL[0]。通常的方法是使用软中断SVC。

　　切换到特权级的代码如下：

　　ToPrivilege;函数ToPrivilege ()

　　SVC 0

　　BX LR

　　SVC_Handler;SVC服务例程

　　MRS R1,CONTROL

　　AND R1,R1,#0xFE

　　MSR CONTROL,R1;回到特权级

　　BX LR

　　而从特权到用户级就简单了，只要执行切换程序就可以了，不用产生异常。切换到用户级的代码为：

　　ToUser;函数ToPrivilege ()

　　MRS R0,CONTROL

　　ORR R0,R0,#0x01;切换到用户级

　　MSR CONTROL,R0

　　BX LR

　　4.5 其他改进方法

　　任务在用户级+PSP下运行，而操作系统函数运行在特权级+MPS运行，中断服务例程有硬件设定在处理模式+特权级+MSP，这样系统的安全性和稳定性会更高。但是每个任务需要两个堆栈PSP、MSP。这样无疑增加了内存的使用(将近增加一倍)，由于嵌入式芯片的片内RAM比较小，增加内存必然会增加成本，并且要对任务控制块做相应的修改，存储两个堆栈。任务创建时对这两个堆栈都要初始化，任务切换时判断切换的堆栈与访问权限，这些都增加了系统的开销。

　　结语

　　系统连续稳定地运行10个小时以上没出现任何问题，可见系统移植成功。利用CortexM3内核选配的MPU，对μC/OSII操作系统进行修改，只是增加了很小的系统开销，却使系统的安全性和稳定性得到了很大的提高。该方法可应用于对系统安全性与稳定性要求比较高的场合。