OS 特性之PendSV 异常

上一篇文章我们了解了 SVC 异常，其可以作为一个 API ，使应用任务能够访问到系统资源，对于 OS 的设计来说非常重要。今天我们就来看一下另一个对 OS 设计及其重要的异常 —— PendSV 异常。

PendSV（可挂起的系统调用）的异常编号为 14，同样，其具有可编程的优先级。可以写入中断控制和状态寄存器（ICSR）设置挂起位以触发 PendSV 异常（详见：深入理解用于中断控制的 SCB 寄存器）。但其与 SVC 异常不同，它是不精确的。因此，它的挂起状态可在更高优先级的异常处理内设置，且会在更高优先级处理完成后执行。

利用该特性，若将 PendSV 设置为最低的异常优先级，就可以让其处理在所有其他中断处理任务完成后执行，这对于上下文切换非常有用，也是 OS 设计中的核心。

首先我们来看下上下文切换的几个基本概念。在具有嵌入式 OS 的典型系统中，处理时间被划分为了多个时间片。此时若系统中只有两个任务，那么这两个任务会交替执行，如下图所示：

OS 内核的执行可由以下条件触发：

• 应用任务中 SVC 指令的执行。例如，当应用任务由于等待一些数据或事件被耽搁时，它可以调用系统服务以便切换到下一个任务。

• 周期性的 SysTick 异常。

在 OS 代码中，任务调度器可以决定是否执行上下文切换。上图所示的操作假定了 OS 内核的执行由 SysTick 异常触发，且每次触发它都会决定切换到一个不同的任务。

若中断请求（IRQ）在 SysTick 异常前产生，则 SysTick 异常可能会抢占 IRQ 处理。在这种情况下，OS 不应该执行上下文切换，否则，IRQ 的处理就会被延迟，如下图所示：

对于 Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器，当存在活跃的异常服务时，设计默认不允许返回到线程模式（当然存在例外情况，即之前文章中提到的非基本线程使能的情况，以后会对这个概念进行详细的解释）。若存在活跃的中断服务，且 OS 试图返回到线程模式，就会触发使用错误异常。

在一些 OS 设计中，要解决上述问题，可以设计为在运行中断服务时不执行上下文切换，这可以通过检查栈帧中的 xPSR 或 NVIC 中的中断活跃寄存器来实现。但这样的话系统的性能可能会受到影响，特别是中断源在 SysTick 中断前后持续产生请求时，这样上下文切换就可能没有执行的机会。

PendSV 异常则通过将上下文切换请求延迟到所有其他 IRQ 都处理完成后执行来解决上面的这个问题。当然要实现这种效果，需要将 PendSV 的优先级设置到最低。若 OS 需要执行上下文切换，它会设置 PendSV 的挂起状态，并且 PendSV 异常处理中执行上下文切换。下图为利用 PendSV 进行上下文切换的一个实例：

上述实例具有以下的事件流程：

1. A 任务调用 SVC 进行任务切换（例如要等待一些工作完成）。

2. OS 收到请求，准备进行上下文切换，此时挂起 PendSV 异常。

3. 当 CPU 退出 SVC 时，会立即进入 PendSV 并进行上下文切换。

4. 当 PendSV 完成并返回线程等级时，系统会运行 B 任务。

5. 中断产生并进入中断处理。

6. 在运行中断处理函数时产生 SysTick 异常（用于 OS 节拍）。

7. OS 执行一些重要的操作，然后挂起 PendSV 异常并准备进行上下文切换。

8. 当 SysTick 异常退出时，会返回到先前执行到一半的中断服务程序中。

9. 当中断服务程序结束后，PendSV 开始执行实际的上下文切换。

10. 当 PendSV 完成后，程序返回到线程等级，这时它会回到任务 A 并继续执行。

除了 OS 环境中的上下文切换，PendSV 还可以用于不存在 OS 的环境中。例如，中断服务程序可能需要一些处理时间，要处理的部分可能会需要最高优先级。不过如果整个 ISR 都是在高优先级中执行的，其他中断服务函数就可能在很长时间内都无法执行。在这种情况下，可以将中断服务处理划分为两个部分，如下图所示：

• 第一部分对时间的要求比较高，需要快速执行，且优先级较高。它位于普通的 ISR 内，在 ISR 结束时，设置 PendSV 的挂起状态。

• 第二部分包括中断服务所需的剩余处理逻辑，它位于 PendSV 处理内且具有较低的异常优先级。