初次尝试~优化UCOSII在CM4带FPU上的压栈

Tekmarine

翻了半天的《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南》，想出这么个能凑合着用的办法，如有雷同纯属巧合。以下都是在Explorer开发板附带的UCOS例程上修改，IDE是Keil MDK 5.11


原始的例程在切换任务时，对浮点计算单元的处理是把全部寄存器都压栈，实际上发现即使任务没有浮点计算，也会有把S0-S31，FPSCR都压栈。另外，在初始化任务栈时，得给FPU寄存器留空间，否则弹栈时就会出错。感觉这样有点浪费内存和时间。以下是我想的一个办法，貌似运行还算正常

先看下和FPU有关的异常标志：

没找到中文版的PDF，凑合着看吧

这个是原始的PendSV_Handler

处理和FPU相关时，是先检查R14的bit4，也就是看EXC_RETURN指示是否执行了浮点指令，如果有就压S15-S31,然后载入下一个任务的TCB，再检查LR的bit4，若为0就弹出S15-S31。

不过这样会出两个问题，其一是这样实际是不知道下一个任务是否是要用FPU，因为设置Control的FPCA位和EXC_RETURN的是上一个任务。

假如上一个任务用了FPU，那么LR的bit4就是0，但如果下一个任务不用FPU，由于此时的LR的bit4还是0，那么就会按长帧弹栈，假若下一个任务的栈里没给FPU留位置，那么就会弹栈顺序出错，然后就是Hardfault了。另一个问题就是，在Reset_Handler里，进入主函数main()前，还有个初始化的函数__main()，这个函数会初始化FPU，其中会执行VMRS指令来设置FPU的工作模式，这样会把Control的FPCA置1。所以进入main()后就会看到说执行浮点指令了，这个标志会一直保持到有中断产生，并且会让进入中断的压栈是压长帧。

而且，由于启动UCOSII会调用OSStartHighRdy()函数，触发PendSV中断，而PendSV_Handler会根据LR的bit4确定是否压FPU——显然，由于一开始Control的FPCA就是1，所以LR的bit4是0，这样就会执行VSTMDBEQ和VLDMIAEQ指令，原本被中断清零的Control的FPCA又被置1了。以上的结果就是，在OS运行期间，Control的FPCA位一直为1，不管有没有执行浮点指令，对此的解决办法通常就是把所有的任务都当成用FPU的，比如初始化任务栈时，所有的任务都是按带FPU初始化

这样是可以正常运行，但是感觉浪费了不少的内存空间，因为不是所有的任务都有浮点计算，而且这样也拖慢了任务切换速度。

以下是本人想出的解决办法，可以运行，只是不知道是否会在未来某个时候出些BUG……因为得改写部分内核代码

首先，由于在切换任务时，是不知道下一个任务是否有浮点计算的，但编程序的人肯定知道，所以可以人为的加个flag，比如就加在任务的TCB里面，设个是否使用FPU的标志

对应的要修改OSTaskCreate()函数和OSTaskStkInit()，OS_TCBInit(),为这三个增加一个输入参数FPU_flag，用于指示任务是否有浮点计算

OSTaskCreate()里的修改如下，只是给OSTaskStkInit()，OS_TCBInit()传参数,OSTaskCreateExt()什么的暂时不管

OS_TCBInit()的里面要增加给TCB里新加的那个FPU标志赋值

OSTaskStkInit()则是在原本给FPU留位置的地方加上判断是否用FPU，没有就不初始化，这个地方有两处

以上修改就是为任务的TCB加个是否使用FPU的标志位，如果用了FPU，那么任务栈就得给S0-S15，S16-S31留空间并初始化；如果不用FPU，那么就不必初始化，而且任务栈可以设小一些，比如给默认的Idle_Task留24个字就行了

最后就是改PendSV_Handler了，这个得用汇编写

我的修改如下

红线以上是和以前的代码一样的，到载入新任务的TCB指针前都不用改，我增加的是红框里的，因为我把加在TCB里的标志放在栈指针后，所以地址偏移是4，红框里的第一句是读取是否使用FPU的标志。

在此再次说明，退出中断的是用BX LR指令，此时LR里面的值是EXC_RETURN，如果LR的bit4是0，那么就按长帧弹

所以在LDRB载入了是否用FPU的标志后，就该判断新任务是否用FPU，如果是，那么就把LR的bit4清0，否则就置1，这样退出中断时，如果任务不用FPU，就会按短帧弹栈，保证出栈顺序正确

另外这里有个取巧的做法，如上图那样不是判断标志，而是直接把标志写入(严格来说是插入)LR，因为在有UCOSII下，退出PendSV后肯定就是普通任务状态了，用的是PSP，Thread模式，处理器的指令模式为Thumb，加上确定是否用FPU，所以此时的EXC_RETURN的值也就是确定的

so，用FPU的话，那么EXC_RETURN必然是0xFFFFFFED,否则就是0xFFFFFFFD，把这个的低8位当成标志位，用的时候直接用BFI指令插进LR就行了，连比较跳转都不要~

还有一处要改的……由于MDK默认的函数里会初始化FPU，把Control.FPCA置位，造成初始状态就不正确，所以得在启动UCOSII前把这个抹掉！

我的就是加载OS_Init()里面，用内联汇编或是内在函数都行，反正得保证首次进入PendSV_Handler时Control寄存器的bit2为0

OK，改动就这么多，目前看来没发现错误，如有BUG欢迎指出

附两张调试时的图，IdleTask的栈很小，但是却不会溢出，因为不用给FPU的寄存器留位置，所以节省了33*4=132个字节~

Tekmarine

……卧槽，怎么没法嵌图片，等下

FreeRTOS

看了个大概感觉楼主敢于当第一个吃螃蟹的人，为你点赞！楼主是利用任务切换时对R14的bit4做判断来决定是否对S15~S31压栈最终达到对时间上的优化，但楼主有否对比过你引入的这个判断本身也会导致CPU多执行了几条指令，如果在绝大多数需要压栈的前提下，这多出的几条判断跳转指令是否会显得冗余了？

Tekmarine

FreeRTOS 发表于 2016-6-5 13:42
看了个大概感觉楼主敢于当第一个吃螃蟹的人，为你点赞！楼主是利用任务切换时对R14的bit4做判断来决定是否 ...

最上面的那个PendSV_handler是开发板带的，我改写的在后面，还没发上来，另外我觉得单片机主要的任务就是控制，浮点计算任务虽然重要，但是缺不多，多数任务还是不用FPU的，而且压、弹31个FPU寄存器大概要花100个时钟，相比之下，加几条判断语句貌似划算些