鴻蒙內核分析：線程中斷環(huán)境下的任務切換

關于中斷部分系列篇將用兩篇詳細說明整個過程.

中斷切換篇用自下而上的方式,從匯編開始處往上跟蹤.說清楚保存和恢復TaskIrqContext,以及調用HalIrqHandler的入口,此為中斷切換篇.

中斷管理篇用自上而下的方式,從C語言中斷注冊管理開始往下跟蹤,一直到匯編調用的4個HalIrqHandlerOsTaskProcSignalOsSchedPreemptOsSaveSignalContextIrqC函數為止.

中斷環(huán)境下的任務切換

在鴻蒙的內核線程就是任務,系列篇中說的任務和線程當一個東西去理解.

一般二種場景下需要切換任務上下文:

在中斷環(huán)境下，從當前線程切換到目標線程,這種方式也稱為硬切換.不由軟件控制的被動式切換.哪些情況下會出現(xiàn)硬切換呢?

由硬件產生的中斷,比如 鼠標,鍵盤外部設備每次點擊和敲打,屏幕的觸摸,USB的插拔等等這些都是硬中斷.同樣的需要切換棧運行,需要復用寄存器,但與軟切換不一樣的是,硬切換會切換工作模式(中斷模式).所以會更復雜點,但道理還是一樣要保存和恢復切換現(xiàn)場寄存器的值, 而保存寄存器順序的結構體叫:任務中斷上下文(TaskIrqContext).

在線程環(huán)境下，從當前線程切換到目標線程,這種方式也稱為軟切換,能由軟件控制的自主式切換.哪些情況下會出現(xiàn)軟切換呢?

運行的線程申請某種資源(比如各種鎖,讀/寫消息隊列)失敗時,需要主動釋放CPU的控制權,將自己掛入等待隊列,調度算法重新調度新任務運行.

每隔10ms就執(zhí)行一次的OsTickHandler節(jié)拍處理函數,檢測到任務的時間片用完了,就發(fā)起任務的重新調度,切換到新任務運行.

不管是內核態(tài)的任務還是用戶態(tài)的任務,于切換而言是統(tǒng)一處理,一視同仁的,因為切換是需要換棧運行,寄存器有限,需要頻繁的復用,這就需要將當前寄存器值先保存到任務自己的棧中,以便別人用完了輪到自己再用時恢復寄存器當時的值,確保老任務還能繼續(xù)跑下去. 而保存寄存器順序的結構體叫:任務上下文(TaskContext).

本篇說清楚在中斷環(huán)境下切換(硬切換)的實現(xiàn)過程.線程切換(軟切換)實現(xiàn)過程已在鴻蒙內核源碼分析(總目錄)任務切換篇中詳細說明.

ARM的七種工作模式中,有兩個是和中斷相關.

普通中斷模式（irq）：一般中斷模式也叫普通中斷模式，用于處理一般的中斷請求，通常在硬件產生中斷信號之后自動進入該模式，該模式可以自由訪問系統(tǒng)硬件資源。

快速中斷模式（fiq）：快速中斷模式是相對一般中斷模式而言的，用來處理高優(yōu)先級中斷的模式,處理對時間要求比較緊急的中斷請求，主要用于高速數據傳輸及通道處理中。

此處分析普通中斷模式下的任務切換過程.

普通中斷模式相關寄存器

這張圖一定要刻在腦海里,系列篇會多次拿出來,目的是為了能牢記它.

普通中斷模式(圖中IRQ列)是一種異常模式,有自己獨立運行的?？臻g.一個(IRQ)中斷發(fā)生后,硬件會將CPSR寄存器工作模式位置為IRQ模式.并跳轉到入口地址OsIrqHandler執(zhí)行.

#define OS_EXC_IRQ_STACK_SIZE 64 //64個字節(jié), 16個?？臻g

__irq_stack:
    .space OS_EXC_IRQ_STACK_SIZE * CORE_NUM
__irq_stack_top:

OsIrqHandler匯編代碼實現(xiàn)過程,就干了三件事:

1.保存任務中斷上下文TaskIrqContext

2.執(zhí)行中斷處理程序HalIrqHandler,這是個C函數,由匯編調用.

3.恢復任務中斷上下文TaskIrqContext,返回被中斷的任務繼續(xù)執(zhí)行

TaskIrqContext 和 TaskContext

先看本篇結構體TaskIrqContext

#define TASK_IRQ_CONTEXT \
        unsigned int R0;     \
        unsigned int R1;     \
        unsigned int R2;     \
        unsigned int R3;     \
        unsigned int R12;    \
        unsigned int USP;    \
        unsigned int ULR;    \
        unsigned int CPSR;   \
        unsigned int PC;

typedef struct {//任務中斷上下文
#if !defined(LOSCFG_ARCH_FPU_DISABLE)
    UINT64 D[FP_REGS_NUM]; /* D0-D31 */
    UINT32 regFPSCR;       /* FPSCR */
    UINT32 regFPEXC;       /* FPEXC */
#endif
    UINT32 resved;
    TASK_IRQ_CONTEXT
} TaskIrqContext;

typedef struct {//任務上下文,已在任務切換篇中詳細說明,放在此處是為了對比  
#if !defined(LOSCFG_ARCH_FPU_DISABLE)
    UINT64 D[FP_REGS_NUM]; /* D0-D31 */
    UINT32 regFPSCR;       /* FPSCR */
    UINT32 regFPEXC;       /* FPEXC */
#endif
    UINT32 resved;          /* It's stack 8 aligned */
    UINT32 regPSR;          
    UINT32 R[GEN_REGS_NUM]; /* R0-R12 */
    UINT32 SP;              /* R13 */
    UINT32 LR;              /* R14 */
    UINT32 PC;              /* R15 */
} TaskContext;

兩個結構體很簡單,目的更簡單,就是用來保存寄存器現(xiàn)場的值的.TaskContext把17個寄存器全部保存了,TaskIrqContext保存的少些,在棧中沒有保存R4-R11寄存器的值,這說明在整個中斷處理過程中,都不會用到R4-R11寄存器.不會用到就不會改變,當然就沒必要保存了.這也說明內核開發(fā)者的嚴謹程度,不造成時間和空間上的一丁點浪費.效率的提升是從細節(jié)處入手的,每個小地方優(yōu)化那么一丟丟,整體性能就上來了.

TaskIrqContext中有兩個變量有點奇怪unsigned int USP;unsigned int ULR;指的是用戶模式下的SP和LR值, 這個要怎么理解? 因為對一個運行著的任務而言,中斷的到來是不顆不定時炸彈,無法預知,也無法準備,中斷一來它立即被打斷,根本沒有時間去保存現(xiàn)場到自己的棧中,那只能是保存在IRQ?；蛘逽VC棧中.而IRQ棧非常的小,只有64個字節(jié),16個棧空間,指望不上了,就保存在SVC棧中,SVC模式?？墒怯?8K空間的.

從接下來的OsIrqHandler代碼中可以看出,鴻蒙內核整個中斷的工作其實都是在SVC模式下完成的,而irq的棧只是個過渡棧. 具體看匯編代碼一行一行分析.

普通中斷處理程序

OsIrqHandler:	@硬中斷處理,此時已切換到硬中斷棧
    SUB     LR, LR, #4	@記錄譯碼指令地址,以防切換過程丟失指令

    /* push r0-r3 to irq stack */ @irq棧只是個過渡棧
    STMFD   SP, {R0-R3}		@r0-r3寄存器入 irq 棧
    SUB     R0, SP, #(4 * 4)@r0 = sp - 16,目的是記錄{R0-R3}4個寄存器保存的開始位置,屆時從R3開始出棧
    MRS     R1, SPSR		@獲取程序狀態(tài)控制寄存器
    MOV     R2, LR			@r2=lr

    /* disable irq, switch to svc mode */@超級用戶模式(SVC 模式)，主要用于 SWI(軟件中斷)和 OS(操作系統(tǒng))。
    CPSID   i, #0x13				@切換到SVC模式,此處一切換,后續(xù)指令將在SVC棧運行
									@CPSID i為關中斷指令,對應的是CPSIE
    @TaskIrqContext 開始保存中斷現(xiàn)場 ......							
    /* push spsr and pc in svc stack */
    STMFD   SP!, {R1, R2} @實際是將 SPSR,和PC入棧對應TaskIrqContext.PC,TaskIrqContext.CPSR,
    STMFD   SP, {LR}	  @LR再入棧,SP不自增,如果是用戶模式,LR值將被 282行:STMFD   SP, {R13, R14}^覆蓋  
						  @如果非用戶模式,將被 286行:SUB     SP, SP, #(2 * 4) 跳過.
    AND     R3, R1, #CPSR_MASK_MODE	@獲取CPU的運行模式
    CMP     R3, #CPSR_USER_MODE		@中斷是否發(fā)生在用戶模式
    BNE     OsIrqFromKernel			@非用戶模式不用將USP,ULR保存在TaskIrqContext

    /* push user sp, lr in svc stack */
    STMFD   SP, {R13, R14}^ 		@將用戶模式的sp和LR入svc棧

OsIrqFromKernel:	@從內核發(fā)起中斷
    /* from svc not need save sp and lr */@svc模式下發(fā)生的中斷不需要保存sp和lr寄存器值
    SUB     SP, SP, #(2 * 4)	@目的是為了留白給 TaskIrqContext.USP,TaskIrqContext.ULR
								@TaskIrqContext.ULR已經在 276行保存了,276行用的是SP而不是SP!,所以此處要跳2個空間
    /* pop r0-r3 from irq stack*/
    LDMFD   R0, {R0-R3}		    @從R0位置依次出棧 

    /* push caller saved regs as trashed regs in svc stack */
    STMFD   SP!, {R0-R3, R12}	@寄存器入棧,對應 TaskIrqContext.R0~R3,R12

    /* 8 bytes stack align */
    SUB     SP, SP, #4			@棧對齊 對應TaskIrqContext.resved

    /*
     * save fpu regs in case in case those been
     * altered in interrupt handlers.
     */
    PUSH_FPU_REGS   R0 @保存fpu regs，以防中斷處理程序中的fpu regs被修改。
    @TaskIrqContext 結束保存中斷現(xiàn)場......	
    @開始執(zhí)行真正的中斷處理函數了.
#ifdef LOSCFG_IRQ_USE_STANDALONE_STACK @是否使用了獨立的IRQ棧
    PUSH    {R4}	@R4先入棧保存,接下來要切換棧,需保存現(xiàn)場
    MOV     R4, SP	@R4=SP
    EXC_SP_SET __svc_stack_top, OS_EXC_SVC_STACK_SIZE, R1, R2 @切換到svc棧
#endif
	/*BLX 帶鏈接和狀態(tài)切換的跳轉*/
    BLX     HalIrqHandler /* 調用硬中斷處理程序,無參 ,說明HalIrqHandler在svc棧中執(zhí)行 */

#ifdef LOSCFG_IRQ_USE_STANDALONE_STACK @是否使用了獨立的IRQ棧
    MOV     SP, R4	@恢復現(xiàn)場,sp = R4 
    POP     {R4}	@彈出R4
#endif

    /* process pending signals */ 	@處理掛起信號
    BL      OsTaskProcSignal 		@跳轉至C代碼 

    /* check if needs to schedule */@檢查是否需要調度
    CMP     R0, #0	@是否需要調度,R0為參數保存值
    BLNE    OsSchedPreempt @不相等,即R0非0,一般是 1

    MOV     R0,SP	@參數
    MOV     R1,R7	@參數
    BL      OsSaveSignalContextIrq @跳轉至C代碼 

    /* restore fpu regs */
    POP_FPU_REGS    R0 @恢復fpu寄存器值

    ADD     SP, SP, #4 @sp = sp + 4 

OsIrqContextRestore:	@恢復硬中斷環(huán)境
    LDR     R0, [SP, #(4 * 7)]	@R0 = sp + 7,目的是跳到恢復中斷現(xiàn)場TaskIrqContext.CPSR位置,剛好是TaskIrqContext倒數第7的位置.
    MSR     SPSR_cxsf, R0		@恢復spsr 即:spsr = TaskIrqContext.CPSR
    AND     R0, R0, #CPSR_MASK_MODE @掩碼找出當前工作模式
    CMP     R0, #CPSR_USER_MODE	@是否為用戶模式?
    @TaskIrqContext 開始恢復中斷現(xiàn)場 ......	
    LDMFD   SP!, {R0-R3, R12}	@從SP位置依次出棧 對應 TaskIrqContext.R0~R3,R12
								@此時已經恢復了5個寄存器,接來下是TaskIrqContext.USP,TaskIrqContext.ULR
    BNE     OsIrqContextRestoreToKernel @看非用戶模式,怎么恢復中斷現(xiàn)場.

    /* load user sp and lr, and jump cpsr */
    LDMFD   SP, {R13, R14}^ @出棧,恢復用戶模式sp和lr值 即:TaskIrqContext.USP,TaskIrqContext.ULR
    ADD     SP, SP, #(3 * 4) @跳3個位置,跳過 CPSR ,因為上一句不是 SP!,所以跳3個位置,剛好到了保存TaskIrqContext.PC的位置

    /* return to user mode */
    LDMFD   SP!, {PC}^ @回到用戶模式,整個中斷過程完成
    @TaskIrqContext 結束恢復中斷現(xiàn)場(用戶模式下) ......	

OsIrqContextRestoreToKernel:@從內核恢復中斷
    /* svc mode not load sp */
    ADD     SP, SP, #4 @其實是跳過TaskIrqContext.USP,因為在內核模式下并沒有保存這個值,翻看 287行
    LDMFD   SP!, {LR} @彈出LR
    /* jump cpsr and return to svc mode */
    ADD     SP, SP, #4 @跳過cpsr
    LDMFD   SP!, {PC}^ @回到svc模式,整個中斷過程完成
    @TaskIrqContext 結束恢復中斷現(xiàn)場(內核模式下) ......

逐句解讀

跳轉到OsIrqFromKernel硬件會自動切換到__irq_stack執(zhí)行

1句:SUB LR, LR, #4在arm執(zhí)行過程中一般分為取指，譯碼，執(zhí)行階段,而PC是指向取指,正在執(zhí)行的指令為 PC-8 ,譯碼指令為PC-4.當中斷發(fā)生時硬件自動執(zhí)行 mov lr pc, 中間的PC-4譯碼指令因為沒有寄存器去記錄它,就會被丟失掉.所以SUB LR, LR, #4的結果是lr = PC -4 ,定位到了被中斷時譯碼指令,將在棧中保存這個位置,確保回來后能繼續(xù)執(zhí)行.

2句:STMFD SP, {R0-R3}當前4個寄存器入__irq_stack保存

3句:SUB R0, SP, #(4 * 4)因為SP沒有自增,R0跳到保存R0內容地址

4,5句:讀取SPSR,LR寄存器內容,目的是為了后面在SVC棧中保存TaskIrqContext

6句:CPSID i, #0x13禁止中斷和切換SVC模式,執(zhí)行完這條指令后工作模式將切到 SVC模式

@TaskIrqContext 開始保存中斷現(xiàn)場 ......

中間代碼需配合TaskIrqContext來看,不然100%懵逼.結合看就秒懂,代碼都已經注釋,不再做解釋,注解中提到的 翻看276行 是指源碼的第276行,請對照注解源碼看理解會更透徹.進入源碼注解地址查看

@TaskIrqContext 結束保存中斷現(xiàn)場 ......

TaskIrqContext保存完現(xiàn)場后就真正的開始處理中斷了,

	/*BLX 帶鏈接和狀態(tài)切換的跳轉*/
    BLX     HalIrqHandler /* 調用硬中斷處理程序,無參 ,說明HalIrqHandler在svc棧中執(zhí)行 */
#ifdef LOSCFG_IRQ_USE_STANDALONE_STACK @是否使用了獨立的IRQ棧
    MOV     SP, R4	@恢復現(xiàn)場,sp = R4 
    POP     {R4}	@彈出R4
#endif
    /* process pending signals */ 	@處理掛起信號
    BL      OsTaskProcSignal 		@跳轉至C代碼 
    /* check if needs to schedule */@檢查是否需要調度
    CMP     R0, #0	@是否需要調度,R0為參數保存值
    BLNE    OsSchedPreempt @不相等,即R0非0,一般是 1
    MOV     R0,SP	@參數
    MOV     R1,R7	@參數
    BL      OsSaveSignalContextIrq @跳轉至C代碼 
    /* restore fpu regs */
    POP_FPU_REGS    R0 @恢復fpu寄存器值
    ADD     SP, SP, #4 @sp = sp + 4 

這段代碼都是跳轉到C語言去執(zhí)行,分別是HalIrqHandlerOsTaskProcSignalOsSchedPreemptOsSaveSignalContextIrqC語言部分內容很多,將在中斷管理篇中說明.

@TaskIrqContext 開始恢復中斷現(xiàn)場 ......

同樣的中間代碼需配合TaskIrqContext來看,不然100%懵逼.結合看就秒懂,代碼都已經注釋,不再做解釋,注解中提到的 翻看287行 是指源碼的第287行,請對照注解源碼看理解會更透徹.進入源碼注解地址查看

@TaskIrqContext 結束恢復中斷現(xiàn)場 ......

編輯：hfy