ARM异常处理(4):SVC和PendSV的作用详解

2023-05-16

SVC(Supervisor Call)和PendSV(Pendable Service Call)是针对软件和操作系统的两个异常。

1 SVC

SVC用于生成系统函数调用,例如,用户程序不允许直接访问硬件,操作系统可以通过SVC提供对硬件的访问。因此,当用户程序想要使用某些硬件时,可以使用SVC指令,然后执行操作系统中的软件异常处理程序,并提供用户应用程序请求的服务。通过这种方式,对硬件的访问由操作系统控制,操作系统可以阻止用户应用程序直接访问硬件,从而提供更可靠的系统。

SVC还可以使软件更具可移植性,因为用户程序不需要知道硬件的编程细节。用户程序只需要知道应用程序编程接口(API)函数ID和参数,而实际的硬件级编程是由设备驱动程序处理的。
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SVC异常由SVC指令产生,该指令需要一个立即数作为参数,根据这个参数执行不同的SVC处理函数。例:

SVC #0x3 ; 调用SVC函数3
SVC 0x3 ;   传统的语法(没有#)也可行

在C语言中,可以使用编译器关键字函数__svc或者使用内联汇编代码来执行SVC指令。

对于操作系统来说,当SVC处理程序被执行时,我们可以通过读取堆栈中的PC值来确定SVC指令中的立即数据值,然后从该地址读取指令并屏蔽不需要的位。如果使用的PSP堆栈,则还需要通过LR寄存器判断当前使用的是哪个堆栈。


SVC和软件中断指令(ARM7)
在ARM7中有一个软件中断指令SWI(Software interrupt instruction)。实际上,SVC指令的二进制编码与ARM7中的SWI是相同的。由于异常模型发生了变化,这条指令被重命名,以确保程序员能够正确地将软件代码从ARM7移植到Cortex-M3。


由于Cortex-M3中的中断优先级模型,我们不能在SVC处理程序中使用SVC指令(因为优先级与当前优先级相同),这样做将导致Usage fault。出于同样的原因,在NMI处理程序或Hard fault处理程序中使用SVC也是不允许的。

2 PendSV

PendSV与操作系统中的SVC协同工作。SVC不能挂起,它将立即被执行;而PendSV可以暂时挂起异常,对于操作系统来说这很有用,它可以等待一个重要的任务执行完毕后再处理该异常。

PendSV异常通过向NVIC Interrupt Control State Register中的PENDSVSET置1来产生。

PendSV的一个典型应用就是上下文切换。例如,一个系统可能有两个任务,上下文切换可以通过调用SVC函数或被Systick触发。
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如果中断请求发生在Systick异常之前,Systick异常将抢占IRQ处理程序。在这种情况下,操作系统不应该进行上下文切换,否则IRQ处理程序进程将被延迟执行。对于Cortex-M3,如果操作系统在中断active时试图切换到线程模式,可能会产生Usage fault,如下图所示:
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为了避免延迟处理IRQ处理的问题,一些操作系统在没有任何IRQ处理程序正在执行时才执行上下文切换。但这可能导致任务切换有很大的延迟,特别是当中断源的频率接近Systick异常的频率时。

PendSV异常通过延迟上下文切换请求直到IRQ处理程序完成来解决这个问题。为此,PendSV异常的优先级设置为最低,如果操作系统检测到一个IRQ当前处于活动状态(IRQ处理程序正在运行并且被Systick抢占),它通过挂起PendSV异常来延迟上下文切换。如下图所示:
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(1)任务A调用SVC进行任务切换(如等待其它任务释放一个信号量)
(2)操作系统接收请求,准备上下文切换,并挂起PendSV异常。
(3)当CPU退出SVC时,它立即进入PendSV并进行上下文切换。
(4)当PendSV完成并返回到线程级别时,它执行任务B。
(5)IRQ产生并进入中断处理程序
(6)当运行中断处理程序时,发生Systick异常
(7)操作系统执行基本操作,然后挂起PendSV异常,为上下文切换做好准备
(8)当SYSTICK异常退出时,它返回到中断服务例程。
(9)当中断服务例程完成时,PendSV启动并执行实际的上下文切换操作。
(10)当PendSV完成时,程序返回到线程级别,继续执行任务A

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