外观
Cortex-M如何配合完成任务切换
你有没有过这样的疑惑：RTOS的运行，到底是全部由软件来实现，还是同时利用了CPU某些特性？
记得自己最初第一次研究RTOS的时候，以为任务切换就是用指令将寄存器进行保存和恢复。 直到深入之后才发现：有些CPU在设计时，为了让RTOS高效运行，专门设计了好几种硬件机制。
今天这篇文章，我们就来好好聊一聊，Cortex-M处理器到底为RTOS的运行提供了哪些硬件支持。
支持一：双栈指针
和传统的ARM架构只有一个栈指针不同，Cortex-M有两个栈指针：
- MSP（Main Stack Pointer，主栈指针）：复位后默认使用的栈指针，常用于中断处理程序。
- PSP（Process Stack Pointer，进程栈指针）：用于用户任务的栈指针。
之所以使用两个栈指针，主要是为了让中断处理和任务使用不同的栈空间，互不干扰。
如此一来，中断处理有自己的栈空间，不会占用任务的栈。任务只需要根据自己的工作内容来估计需要用栈的大小，不必考虑任务执行过程中是否发生中断。
机制二：异常自动压栈
当异常（含中断）发生时，Cortex-M会自动将8个内核寄存器压栈，这些分别是：xPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、R0。
当异常返回时，Cortex-M又会自动从栈中弹出这些个寄存器，恢复到原来的值。
对于RTOS来说，这个机制大大减少了软件需要保存的寄存器数量，RTOS只需要手动保存R4-R11这8个寄存器。
机制三：PendSV异常
PendSV的全称是Pendable Service Call，即可挂起的服务调用异常。
它是Cortex-M专门为RTOS上下文切换设计的异常，它具有如下几个关键特点：
- 优先级可设置：优先级可以通过软件设置，RTOS通常把它设置为最低优先级。
- 可挂起：可以将该异常设置为挂起状态，当有更高优先级的中断在处理时，PendSV会等所有高优先级中断处理完后再执行。
为什么需要PendSV呢？这是为了解决任务切换可能在中断处理程序中被触发的问题。
比如，在下图中，SysTick中断抢占了IRQ中断，导致系统切换至任务B运行。这使得IRQ中断的处理被任务B切换打断，增加中断的响应时间。
当使用PendSV时，SysTick中断中只需要挂起PendSV异常。等所有中断（含IRQ中断）都处理完后，PendSV才会执行，完成上下文切换。这样既保证了中断的快速响应，又能在合适的时机完成任务切换。
机制四：SysTick定时器
Cortex-M处理器还内置了SysTick定时器，即系统节拍定时器，主要用来给RTOS提供系统节拍（tick）。
它是一个24位的递减计数器，所有Cortex-M系列的芯片都有这个定时器。 
SysTick定时器对RTOS来说有什么用呢？
在没有SysTick之前，不同厂家的芯片有不同的定时器，RTOS需要为每种芯片提供不同的定时器驱动代码。
但自从有了SysTick，一切就变得简单起来。
由于它是Cortex-M内核的一部分，所有Cortex-M芯片的SysTick都是一样的。如此一来，RTOS只需要写一份SysTick驱动代码，就可以在所有Cortex-M芯片上运行，这大大提高了RTOS的可移植性。
机制五：权限等级（可选）
Cortex-M处理器还为RTOS提供了权限等级机制，主要有两种特权等级：
- 特权级（Privileged）：可以访问所有寄存器和所有内存区域、执行所有指令。
- 用户级（Unprivileged）：某些寄存器不能直接访问，某些内存区域可能被保护，某些指令不能执行。
理论上来说，RTOS可以利用这个机制来保护系统安全，比如：让内核代码运行在特权级，用户任务运行在用户级，任务可以通过SVC系统调用指令请求内核完成某些特殊的工作。
不过，实际上大多数RTOS（包括RT-Thread、FreeRTOS等）并没有使用这个机制，以避免增加复杂性、带来额外的开销。同时，大多数时候，代码通常都是开发者自己写的，不需要像桌面系统那样隔离不可信的第三方应用。
因此，大多数RTOS选择让所有任务都运行在特权级，以简化实现、提高性能。
总结
综上所述，Cortex-M处理器为RTOS的运行提供了多个关键的硬件机制。
其中，最核心的几个机制是：双栈指针、异常自动压栈、PendSV异常和SysTick定时器。这四个机制配合起来，大大简化了RTOS在该处理器上的实现。
此外，Cortex-M还提供了权限等级机制，但大多数RTOS为了简化实现、提高性能，并未使用该机制。
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