RT-Thread啟動(dòng)進(jìn)入就緒態(tài)最高優(yōu)先級線程的全過程與棧幀分析（上）

本文簡單討論RT-Thread在啟動(dòng)后，逐步進(jìn)入到處于就緒態(tài)最高優(yōu)先級main線程的全過程。部分內(nèi)容涉及到匯編指令，但通俗易懂。通過簡化工程，配合Debug過程，逐步觀察寄存器的變化、繪制棧幀結(jié)構(gòu)、繪制線程控制塊和rt_interrupt_from_thread、rt_interrupt_to_thread等典型變量取值（指向，雖然是rt_uint32_t類型，但實(shí)際在匯編中是作為指針使用），能有效幫助理解RTOS的線程棧的恢復(fù)與啟動(dòng)過程。

通過本文對線程啟動(dòng)過程的了解，對于兩個(gè)線程/多個(gè)線程之間的互相切換能奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，化繁為簡，結(jié)合論壇關(guān)于上下文切換的代碼注釋，能幫助快速抓住主線。

使用的軟硬件環(huán)境如下：

IDE工具 - RT-Thread Studio 2.2.6
硬件 - STM32L431RCT6，Cortex M4內(nèi)核
軟件 - RT-Thread 4.0.5版本
配置 - 僅使能main線程和tidle0線程

一、工程設(shè)置

Step 1. 新建名稱為EVBMX_RTThread405_Switch的4.0.5版本工程

Step 2. 不使能軟件定時(shí)器，使能線程狀態(tài)更改的調(diào)試

關(guān)閉軟件定時(shí)器線程，避免干擾。

Step 3. 關(guān)閉msh shell，禁用Finsh

關(guān)閉tshell線程，避免干擾。僅僅保留main線程和tidle0線程。

Step 4. 修改main函數(shù)

修改main函數(shù)后，線程進(jìn)入一次，休眠且切換1次，再次切回且return，然后徹底退出，只留下tidle0線程。

#include
#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include
int main(void)
{
rt_thread_mdelay(1000);
return RT_EOK;
}

Step 5. 下載程序，觀察輸出結(jié)果

讀完全文后，對下方輸出結(jié)果的每一行語句所代表的含義和發(fā)生時(shí)刻，能有更深刻體會(huì)。

二、調(diào)試運(yùn)行

Step 6. 在component.c中257行按F9設(shè)置斷點(diǎn)；F5全速運(yùn)行到此處后，再按F9關(guān)閉此處斷點(diǎn)。

Step 7. 依次進(jìn)入rt_thread_create, _thread_init, 停留在thread.c的164行。

將變量thread添加到表達(dá)式窗口，可以查看各個(gè)成員的值，其中，thread->stack_addr = 0x20001138, thread->stack_size = 0x800，分別表示棧底位置和?？臻g大小。

164行的函數(shù)rt_hw_stack_init對于理解線程切換是一個(gè)相當(dāng)重要的函數(shù)，其形參分別為：

線程入口函數(shù)：main_thread_entry

線程參數(shù)RT_NULL：

線程棧棧頂?shù)刂罚簍hread->stack_addr + thread->stack_size - 4 = 0x20001138 + 0x800 - 4 = 0x20001934

Step 8. 單步進(jìn)入到rt_hw_stack_init函數(shù)內(nèi)部，開展分析

149行，由于傳遞進(jìn)來的stack_addr = 0x20001934，執(zhí)行完畢后，stk為0x20001938。從0x20001138（含）到0x20001934（含），合計(jì)是0x800 = 2048字節(jié)。STM32使用的滿遞減棧，所以此處的stk是0x20001938。

150行，此處設(shè)置8字節(jié)對齊。由于0x20001938 = (536877368)Decimal，該數(shù)據(jù)除8等于67109671，能被8整除，該語句執(zhí)行棧對齊操作后，stk依然為0x20001938。

Step 9. 繼續(xù)了解rt_hw_stack_init函數(shù)。

151行，更新stk的值，減去struct stack_frame結(jié)構(gòu)體的大小。執(zhí)行完畢后，stk = 0x200018F4。
153行，stack_frame指針指向0x200018F4。
156至159行，通過for循環(huán)將0x200018F4至0x20001938的所有內(nèi)存變成0xdeadbeaf魔法字。
161行至168行，將stack_frame成員的exception_stack_frame中的r0~psr共8個(gè)寄存器分別設(shè)置為：線程參數(shù)，4個(gè)0，線程返回地址，線程入口地址，0x01000000。
175行，返回stk的值，此時(shí)變成0x200018F4。這個(gè)值在初始化線程時(shí)，將返回給thread->sp，即線程棧的臨時(shí)棧頂指針。
依次將線程的形參、r1-r3, r12, 線程返回地址、線程入口地址，線程的xPSR寫入異常棧幀結(jié)構(gòu)中。
在初入門時(shí)，這里是難點(diǎn)。C語言中使用結(jié)構(gòu)體定義的棧結(jié)構(gòu)，如何和實(shí)際寄存器的順序進(jìn)行一一對應(yīng)？，后文會(huì)通過逐步Debug揭示這個(gè)問題答案。

至此，main線程創(chuàng)建完畢后，線程結(jié)構(gòu)體和線程?？臻g如下所示。

Step 10. 繼續(xù)單步到rt_system_scheduler_start函數(shù)處，并單獨(dú)跟蹤進(jìn)入到該函數(shù)內(nèi)部。

期間，RT-Thread會(huì)調(diào)用rt_thread_idle_init函數(shù)，在該函數(shù)中使用靜態(tài)創(chuàng)建方式初始化tidle0線程?？梢园凑丈鲜鲞^程記錄tidle0線程的棧空間。