RT-Thread启动进入就绪态最高优先级线程的全过程与栈帧分析（下）

step 11. 继续单步到rt_hw_context_switch_to函数处。
在rt_system_scheduler_start函数中，会依次获取最高优先级线程的线程控制块，将其复制给to_thread。如图所示，在表达式窗口的to_thread就是main线程。
&to_thread->spthread->sp的地址，在debug中，地址编号为0x200010c8，即0x200010c8内存单元中存放的数据是0x200018f4。
q2. 在单独进入到rt_hw_context_switch_to之前，观察输出结果，main线程被remove。为什么在启动调度器的函数中，要先将线程从就绪列表中移除呢？
a2. 下一步要启动main线程，将其从ready状态变成running状态，所以需要将该线程从就绪列表中删除，rt-thread后续在调度时暂时不考虑该线程，直到该线程状态再次从running发生变化。
step 12. 单步到进入到rt_hw_context_switch_to函数处，该函数位于context_gcc.s文件，由汇编语言编写实现。
rt_hw_context_switch_to仅仅在调度器启动时运行一次。该函数的c语言实现接口中，有一个参数，传入thread->sp变量的地址。
对于参数个数不大于4的c语言接口函数，编译器会按参数在列表中的顺序，自左向右为参数分配寄存器r0-r3。
对于参数个数大于4的c语言接口函数，编译器会按参数在列表中的顺序，多余参数按自右向左的顺序压入栈中，即参数入栈顺序与参数顺序相反。
如上述tips，thread->sp的地址通过r0传递。在下图左侧寄存器窗口中，可以看到r0的值为0x200010c8。
165行，将变量rt_interrupt_to_thread变量的地址赋值给r1。
165行，将r0的值赋值给r1指向的单元，即将r0的值赋值给变量rt_interrupt_to_thread。如果此时在表达式窗口观察rt_interrupt_to_thread，会发现它的值为0x200010c8。
此时，main线程的线程结构体和线程栈空间不变，但是r0, r1, rt_interrupr_to_thread的内容均发生了变化。
对于rt_hw_context_switch_to函数的其他行，依次分析如下：
168行至172行，处理浮点寄存器入栈控制，与cortex m4内核的lazy stacking有关，但与本文主线无关，不做探讨。
176至178行，将rt_interrupt_from_thread变量清零。因此本次是rt-thread第一次调度最高优先级线程，只有to，没有from。
181至183行，将rt_thread_switch_interrupt_flag变量至1，该值将在pendsv中断中使用。
186-194行，设置systick和pendsv中断的优先级，且触发pendsv，但现在不跳转，因为中断为禁止。
197-201行，很有意思的一段操作，将0x08000000处的栈顶指针放置到msp中，相当于特权模式的栈顶指针复位了。cpu从汇编编写的启动代码，直到运行到此处，均在特权模式下运行，使用msp作为栈顶指针。将来切换到线程后，会以psp作为栈顶指针。启动流程不会重来一次，也没有任何函数再需要返回。所以，对于截止到目前使用的msp栈，可以舍弃栈中的数据，msp栈重置。
204-205行，使能中断。首先在context_gcc.s的89行设置断点，然后当pc运行在204行时按f5，会运行至pendsv中断服务程序。
step 13. pendsv函数分析。
在pendsv中断服务程序中：
94行-96行，判断rt_thread_switch_interrupt_flag的值，为0则退出，为1则继续；
99行-105行，rt_thread_switch_interrupt_flag清0，判断rt_interrupt_from_thread的值，为0表示os第一次进行最高优先级就绪状态线程的运行，无需恢复psp，直接跳转到switch_to_thread；为1表示从from线程切换至to线程，需要恢复psp。debug到此处，rt_interrupt_from_thread的值为0，是第一次进行线程运行。
此处直接分析127行开始的switch_to_thread部分。
128行，将rt_interrupt_to_thread的地址赋值给r1。
129行，从r1指向的地址中取出值，赋值给r1，此时r1指向到main线程的thread->sp。
130行，从r1指向的地址中取出值，赋值给r1，此时r1指向到0x200018f4，如下图所示。
133行-136行，将r1指向的0x200018f4开始的单元内容，依次装载到r3, r4-r11中。执行完毕后，r3中是flag的值，r4-r11中均为0xdeafbeef，且r1指向0x20001918。
139-140行，由于r3为0，浮点寄存器不做处理。r1保持不变。
143行，将r1的值赋值给psp，线程栈顶指针psp目前为0x20001918。后续psp还会自动更新。
155行，使得lr寄存器的bit2为1，确保pendsv异常返回使用的栈指针是psp。
156行，异常返回。此时，线程栈中剩下内容，即从0x20001918-0x20001934的内容，会自动加载到r0, r1, r2, r3, r12, r14 （线程返回地址）, pc （线程入口地址）, xpsr。且，psp会自动更新至0x20001938，即创建main线程时的栈顶指针。
step 14. 光标在bx lr上时，按f5，自动运行到main线程入口地址main_thread_entry。
如下图所示，栈帧中的r0-r15, xpsr均已顺利从线程栈中进行了恢复，此时thread->sp = psp = 0x20001938。开始顺利执行线程。
通过本文对线程启动过程的了解，对于两个线程/多个线程之间的互相切换能奠定坚实的基础，化繁为简，结合论坛关于上下文切换的代码注释，能帮助快速抓住主线。
使用的软硬件环境如下：
ide工具 - rt-thread studio 2.2.6
硬件 - stm32l431rct6，cortex m4内核
软件 - rt-thread 4.0.5版本
配置 - 仅使能main线程和tidle0线程
一、工程设置
step 1. 新建名称为evbmx_rtthread405_switch的4.0.5版本工程
step 2. 不使能软件定时器，使能线程状态更改的调试
关闭软件定时器线程，避免干扰。
step 3. 关闭msh shell，禁用finsh
关闭tshell线程，避免干扰。仅仅保留main线程和tidle0线程。
step 4. 修改main函数
修改main函数后，线程进入一次，休眠且切换1次，再次切回且return，然后彻底退出，只留下tidle0线程。
#include
#define dbg_tag main
#define dbg_lvl dbg_log
#include
int main(void)
{
rt_thread_mdelay(1000);
return rt_eok;
}
step 5. 下载程序，观察输出结果
读完全文后，对下方输出结果的每一行语句所代表的含义和发生时刻，能有更深刻体会。
二、调试运行
step 6. 在component.c中257行按f9设置断点；f5全速运行到此处后，再按f9关闭此处断点。
step 7. 依次进入rt_thread_create, _thread_init, 停留在thread.c的164行。
将变量thread添加到表达式窗口，可以查看各个成员的值，其中，thread->stack_addr = 0x20001138, thread->stack_size = 0x800，分别表示栈底位置和栈空间大小。
164行的函数rt_hw_stack_init对于理解线程切换是一个相当重要的函数，其形参分别为：
线程入口函数：main_thread_entry
线程参数rt_null：
线程栈栈顶地址：thread->stack_addr + thread->stack_size - 4 = 0x20001138 + 0x800 - 4 = 0x20001934
q1：为什么此处需要减4？
a2: 很有意思的一个问题。答案可参考本人在论坛的一个回答。rt-thread-小白求助,关于rtt 的一段源码rt-thread问答社区 - rt-thread
step 8. 单步进入到rt_hw_stack_init函数内部，开展分析
149行，由于传递进来的stack_addr = 0x20001934，执行完毕后，stk为0x20001938。从0x20001138（含）到0x20001934（含），合计是0x800 = 2048字节。stm32使用的满递减栈，所以此处的stk是0x20001938。
150行，此处设置8字节对齐。由于0x20001938 = (536877368)decimal，该数据除8等于67109671，能被8整除，该语句执行栈对齐操作后，stk依然为0x20001938。
step 9. 继续了解rt_hw_stack_init函数。
151行，更新stk的值，减去struct stack_frame结构体的大小。执行完毕后，stk = 0x200018f4。
153行，stack_frame指针指向0x200018f4。
156至159行，通过for循环将0x200018f4至0x20001938的所有内存变成0xdeadbeaf魔法字。
161行至168行，将stack_frame成员的exception_stack_frame中的r0~psr共8个寄存器分别设置为：线程参数，4个0，线程返回地址，线程入口地址，0x01000000。
175行，返回stk的值，此时变成0x200018f4。这个值在初始化线程时，将返回给thread->sp，即线程栈的临时栈顶指针。
依次将线程的形参、r1-r3, r12, 线程返回地址、线程入口地址，线程的xpsr写入异常栈帧结构中。
在初入门时，这里是难点。c语言中使用结构体定义的栈结构，如何和实际寄存器的顺序进行一一对应？，后文会通过逐步debug揭示这个问题答案。
返回的stk指向0x200018f4部分。
至此，main线程创建完毕后，线程结构体和线程栈空间如下所示。
step 10. 继续单步到rt_system_scheduler_start函数处，并单独跟踪进入到该函数内部。
期间，rt-thread会调用rt_thread_idle_init函数，在该函数中使用静态创建方式初始化tidle0线程。可以按照上述过程记录tidle0线程的栈空间。
step 11. 继续单步到rt_hw_context_switch_to函数处。
在rt_system_scheduler_start函数中，会依次获取最高优先级线程的线程控制块，将其复制给to_thread。如图所示，在表达式窗口的to_thread就是main线程。
&to_thread->spthread->sp的地址，在debug中，地址编号为0x200010c8，即0x200010c8内存单元中存放的数据是0x200018f4。
q2. 在单独进入到rt_hw_context_switch_to之前，观察输出结果，main线程被remove。为什么在启动调度器的函数中，要先将线程从就绪列表中移除呢？
a2. 下一步要启动main线程，将其从ready状态变成running状态，所以需要将该线程从就绪列表中删除，rt-thread后续在调度时暂时不考虑该线程，直到该线程状态再次从running发生变化。
step 12. 单步到进入到rt_hw_context_switch_to函数处，该函数位于context_gcc.s文件，由汇编语言编写实现。
rt_hw_context_switch_to仅仅在调度器启动时运行一次。该函数的c语言实现接口中，有一个参数，传入thread->sp变量的地址。
对于参数个数不大于4的c语言接口函数，编译器会按参数在列表中的顺序，自左向右为参数分配寄存器r0-r3。
对于参数个数大于4的c语言接口函数，编译器会按参数在列表中的顺序，多余参数按自右向左的顺序压入栈中，即参数入栈顺序与参数顺序相反。
如上述tips，thread->sp的地址通过r0传递。在下图左侧寄存器窗口中，可以看到r0的值为0x200010c8。
165行，将变量rt_interrupt_to_thread变量的地址赋值给r1。
165行，将r0的值赋值给r1指向的单元，即将r0的值赋值给变量rt_interrupt_to_thread。如果此时在表达式窗口观察rt_interrupt_to_thread，会发现它的值为0x200010c8。
此时，main线程的线程结构体和线程栈空间不变，但是r0, r1, rt_interrupr_to_thread的内容均发生了变化。
对于rt_hw_context_switch_to函数的其他行，依次分析如下：
168行至172行，处理浮点寄存器入栈控制，与cortex m4内核的lazy stacking有关，但与本文主线无关，不做探讨。
176至178行，将rt_interrupt_from_thread变量清零。因此本次是rt-thread第一次调度最高优先级线程，只有to，没有from。
181至183行，将rt_thread_switch_interrupt_flag变量至1，该值将在pendsv中断中使用。
186-194行，设置systick和pendsv中断的优先级，且触发pendsv，但现在不跳转，因为中断为禁止。
197-201行，很有意思的一段操作，将0x08000000处的栈顶指针放置到msp中，相当于特权模式的栈顶指针复位了。cpu从汇编编写的启动代码，直到运行到此处，均在特权模式下运行，使用msp作为栈顶指针。将来切换到线程后，会以psp作为栈顶指针。启动流程不会重来一次，也没有任何函数再需要返回。所以，对于截止到目前使用的msp栈，可以舍弃栈中的数据，msp栈重置。
204-205行，使能中断。首先在context_gcc.s的89行设置断点，然后当pc运行在204行时按f5，会运行至pendsv中断服务程序。
step 13. pendsv函数分析。
在pendsv中断服务程序中：
94行-96行，判断rt_thread_switch_interrupt_flag的值，为0则退出，为1则继续；
99行-105行，rt_thread_switch_interrupt_flag清0，判断rt_interrupt_from_thread的值，为0表示os第一次进行最高优先级就绪状态线程的运行，无需恢复psp，直接跳转到switch_to_thread；为1表示从from线程切换至to线程，需要恢复psp。debug到此处，rt_interrupt_from_thread的值为0，是第一次进行线程运行。
此处直接分析127行开始的switch_to_thread部分。
128行，将rt_interrupt_to_thread的地址赋值给r1。
129行，从r1指向的地址中取出值，赋值给r1，此时r1指向到main线程的thread->sp。
130行，从r1指向的地址中取出值，赋值给r1，此时r1指向到0x200018f4，如下图所示。
133行-136行，将r1指向的0x200018f4开始的单元内容，依次装载到r3, r4-r11中。执行完毕后，r3中是flag的值，r4-r11中均为0xdeafbeef，且r1指向0x20001918。
139-140行，由于r3为0，浮点寄存器不做处理。r1保持不变。
143行，将r1的值赋值给psp，线程栈顶指针psp目前为0x20001918。后续psp还会自动更新。
155行，使得lr寄存器的bit2为1，确保pendsv异常返回使用的栈指针是psp。
156行，异常返回。此时，线程栈中剩下内容，即从0x20001918-0x20001934的内容，会自动加载到r0, r1, r2, r3, r12, r14 （线程返回地址）, pc （线程入口地址）, xpsr。且，psp会自动更新至0x20001938，即创建main线程时的栈顶指针。
step 14. 光标在bx lr上时，按f5，自动运行到main线程入口地址main_thread_entry。
如下图所示，栈帧中的r0-r15, xpsr均已顺利从线程栈中进行了恢复，此时thread->sp = psp = 0x20001938。开始顺利执行线程。
三、修改rt_hw_context_switch_to函数，使用svc进入第一个线程
freertos使用svc进入第一个线程，通过简单修改，在stm32l431rct6 cortex-m4内核上也可以支持用svc进入第一个线程。计划在线下课程中，与学生们面对面深入探讨一次。
对rt_hw_context_switch_to函数的修改过程如下：
删除对rt_interrupt_from_thread的清零
删除对rt_thread_switch_interrupt_flag的置1
删除对pendsv的触发
新增dsb isb
新增svc 0
毫无意义，对r0赋值，通过debug观察到该语句不会被执行
修改后的rt_hw_context_switch_to函数和svc_handler函数如下：
.global rt_hw_context_switch_to
.type rt_hw_context_switch_to, %function
rt_hw_context_switch_to:
ldr r1, =rt_interrupt_to_thread
str r0, [r1]
#if defined ( vfp_fp ) && !defined( softfp )
/* clear control.fpca /
mrs r2, control / read /
bic r2, #0x04 / modify /
msr control, r2 / write-back /
#endif
/ set the pendsv and systick exception priority /
ldr r0, =nvic_syspri2
ldr r1, =nvic_pendsv_pri
ldr.w r2, [r0,#0x00] / read /
orr r1,r1,r2 / modify /
str r1, [r0] / write-back /
/ restore msp /
ldr r0, =scb_vtor
ldr r0, [r0]
ldr r0, [r0]
nop
msr msp, r0
/ enable interrupts at processor level /
cpsie f
cpsie i
dsb
isb
svc 0
/ never reach here! /
ldr r0, =0x12345678 / debug according to blta's comment /
.global svc_handler
.type svc_handler, %function
svc_handler:
/ disable interrupt to protect context switch /
mrs r2, primask
cpsid i
/ get rt_thread_switch_interrupt_flag /
switch_to_first_thread:
ldr r1, =rt_interrupt_to_thread
ldr r1, [r1]
ldr r1, [r1] / load thread stack pointer /
#if defined ( vfp_fp ) && !defined( softfp )
ldmfd r1!, {r3} / pop flag /
#endif
ldmfd r1!, {r4 - r11} / pop r4 - r11 register /
#if defined ( vfp_fp ) && !defined( softfp )
cmp r3, #0 / if(flag_r3 != 0) */
vldmiane r1!, {d8 - d15} /* pop fpu register s16~s31 */
#endif
msr psp, r1 /* update stack pointer */
#if defined (__vfp_fp__) && !defined(__softfp__)
orr lr, lr, #0x10 /* lr |= (1 << 4), clean fpca. */
cmp r3, #0 /* if(flag_r3 != 0) */
bicne lr, lr, #0x10 /* lr &= ~(1 << 4), set fpca. */
#endif
svc_exit:
/* restore interrupt */
msr primask, r2
orr lr, lr, #0x04
bx lr
四、小结
本文简单探讨了rt-thread 4.0.5版本在stm32l431rctx cortex-m4内核上，创建main线程、tidle0线程后，从使用msp的特权模式，启动至使用psp线程模式的main线程栈帧恢复全过程。
sp寄存器有两个，分别是msp和psp，其中，从复位启动后使用msp，通过启动代码、rt-thread初始化、启动调度器的过程，切换至使用psp的线程中运行。
每个线程均有独立的栈。使用rt_thread_create创建的线程，栈位于heap中；使用rt_thread_init创建的栈，栈位于自定义的数组中。
线程切换，即保存所有寄存器的快照到线程栈中，r0-r15, xpsr，浮点寄存器。线程恢复，即从线程栈中恢复寄存器快照。
在线程模式下，如果发生中断，会继续使用msp。
cortex m4发生中断，会有系列寄存器自动入栈处理的操作，本文不展开讨论。
rt-thread的上下文切换的context_gcc.s文件中rt_hw_context_switch_to也可以用svc进行线程处理。