用戶任務工作在用戶級下,操作系統函數工作在特權級下,任務可能會在執行系統函數時執行上下文切換,因此系統要記錄任務切換時是處在特權級還是用戶級下,以便任務再次獲得處理器控制權時,切換到原先的訪問等級下。在任務創建時,加入訪問權限參數mode。
權限的值定義為:
#define OS_Mode_USER 1u //用戶級
#define OS_Mode_PRIVILEGE 0u //特權級
在創建任務函數與堆棧初始函數的參數中加入訪問權限參數,形式如下:
INT8U OSTaskCreateExt (……,INT8U mode );
OS_STK *OSTaskStkInit (……,INT8U mode);
在堆棧初始化時,把mode最后存到堆棧當中,以便任務第一次運行時進入相應的工作模式(特權級或用戶級)。統計任務和空閑任務的mode是OS_Mode_PRIVILEGE,而用戶任務為OS_Mode_USER。
4.3 OS_CPU_A.ASM文件中函數的修改
在OS_CPU_A.ASM文件中,只需修改函數PendSV_Handler(PendSV服務例程),任務切換是由它來完成的。同時,設置PendSV的優先級為最低,以便快速響應中斷,提高系統的實時性。PendSV服務例程的流程如圖3所示。
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圖3 PendSV服務例程流程
任務切換上文的程序:
SUBS R0,R0,#0x24;調整PSP指針,mode、R4~R11共36字節
MRS R1,CONTROL;獲取當前任務的訪問等級mode
STM R0,{R1,R4R11};壓棧mode,R4~R11
LDR R1,=OSTCBCur;獲取OSTCBCur?﹥OSTCBStkPtr
LDR R1,[R1]
STR R0,[R1];存儲PSP值到任務控制塊切換下文的程序:
……;OSPrioCur=OSPrioHighRdy;
……;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;
……;得到新任務的PSP值,存儲到R0中
LDM R0,{R1,R4R11};R1(mode),R4~R11出棧
MSR CONTROL,R1;修改CONTROL[0]
ORR LR,LR,#0x04;選擇返回時使用的堆棧
ADDS R0,R0,#0x24;調整PSP值
MSR PSP,R0;R0存入PSP中
4.4 系統函數的使用
系統函數都是在特權級下執行的,在應用程序中調用系統函數前應該切換到特權級,系統函數執行完畢后再切換后用戶級。調用形式如下:
ToPrivilege ();
OSFunction(Parameter1, Parameter2……);//系統函數
ToUser ();
在特權級下可以通過置位CONTROL[0]來進入用戶級。用戶級下是不能通過修改CONTROL[0]來回到特權級的,必須通過一個異常handler來修改CONTROL[0],才能在返回到線程模式后取得特權級。因此,從用戶級到特權級的方法就是產生一個異常,再在異常例程中修改CONTROL[0]。通常的方法是使用軟中斷SVC。
切換到特權級的代碼如下:
ToPrivilege;函數ToPrivilege ()
SVC 0
BX LR
SVC_Handler;SVC服務例程
MRS R1,CONTROL
AND R1,R1,#0xFE
MSR CONTROL,R1;回到特權級
BX LR
而從特權到用戶級就簡單了,只要執行切換程序就可以了,不用產生異常。切換到用戶級的代碼為:
ToUser;函數ToPrivilege ()
MRS R0,CONTROL
ORR R0,R0,#0x01;切換到用戶級
MSR CONTROL,R0
BX LR
4.5 其他改進方法
任務在用戶級+PSP下運行,而操作系統函數運行在特權級+MPS運行,中斷服務例程有硬件設定在處理模式+特權級+MSP,這樣系統的安全性和穩定性會更高。但是每個任務需要兩個堆棧PSP、MSP。這樣無疑增加了內存的使用(將近增加一倍),由于嵌入式芯片的片內RAM比較小,增加內存必然會增加成本,并且要對任務控制塊做相應的修改,存儲兩個堆棧。任務創建時對這兩個堆棧都要初始化,任務切換時判斷切換的堆棧與訪問權限,這些都增加了系統的開銷。
結語
系統連續穩定地運行10個小時以上沒出現任何問題,可見系統移植成功。利用CortexM3內核選配的MPU,對μC/OSII操作系統進行修改,只是增加了很小的系統開銷,卻使系統的安全性和穩定性得到了很大的提高。該方法可應用于對系統安全性與穩定性要求比較高的場合。
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