利用中断或异常实现协程多任务的切换

-- 微控制器中基于协程的实时协作多任务方法 (5)

　　在以往用汇编编程时，我有时借用中断实现协程多任务的切换，即借用中断完成协程的YIELD。这种方法也可用于C与汇编混合编程实现无标号切换。

　　前面说到，用CALL指令可以取得后一指令的地址而无须使用标号。除此之外，另一个不用标号而可以取得后一指令的地址就是中断；对ARM而言，就是异常（Exceptions）。

　　例如，在8051的具体应用中，我们往往不会用完所有的中断，我们可以借用空置的中断来取得后一指令的地址。

　　设某中断INTn被借用，我们可以用

　　　　SETB INTn_flag ；中断标志往往可以用软件来置位

来取代前面的

　　　　CALL yield ；

而用前面yield的汇编指令作为INTn的中断响应。一进入中断，“后一指令的地址”就已经在堆栈中。

　　具体变化多而灵活，无法在此一一罗列汇编代码。熟悉汇编的工程师自然可以自行写出混合编程的代码了。

　　利用中断实现协程多任务切换，带来一个好处。就是，我们可以在一定程度上掌握协程多任务切换的优先权。甚至可以选择最高优先权，在与抢占式方法联合使用时，协程切换时的优先权可以高于任一抢占式的优先权。

　　对应于ARM Cortex-M，自然是“异常”了。ARM Cortex-M的系统服务调用指令SVC（软中断指令）很适合作此运用。

　　在这之前，我必须先说一下Cortex-M的YIELD指令。

　　在ARM Cortex-M的具体产品问世后，我觉得，在产品设计中MCU的选择从8051升级到Cortex-M的时机到了。因此，一些以前在8051或其他MCU中使用的成功方法，也该转移到Cortex-M。

　　其中，我考虑上述通过中断切换协程多任务的方法，该如何移植到Cortex-M。首先，吸引我的是YIELD指令。数据手册中对它的描述是：

YIELD indicates to the hardware that the current thread is performing a task, for example a spinlock, that can be swapped out. Hardware can use this hint to suspend and resume threads in a multithreading system.

YIELD 可告知硬件有线程正在执行任务，例如可换出的自旋锁。 硬件可使用此提示在多线程系统中暂挂并恢复执行线程。

　　但是找不到YIELD是如何执行的。直到在姚文祥(Joseph Yiu)的《Cortex_M3权威指南》看到YIELD是一条未支持的hint指令。

　　为了搞清原委，2011年1月在圣塔克拉拉会展中心的RTECC（Real-Time & Embedded Computing Conference）展会上，我问ARM展台的产品经理Robert Boys先生：为什么Cortex-M3不支持YIELD指令。他说：没有这回事（it is not true）。

　　回家后，我找到了姚文祥的原文，当晚给Bob Boys发了一份邮件，并告知，我想借用YIELD实现实时多任务的切换，而不借助于RTOS。

　　Robert Boys把邮件转给了ARM权威姚文祥，姚先生第二天给我回了邮件，说明YIELD指令是为具有“硬件多线程处理能力”的处理器而预设的。目前还没有这样的处理器，所以等效于NOP。有兴趣的话，可看一下附件：姚文祥(Joseph Yiu)关于YIELD指令的邮件.pdf 。

　　这等于透露了一个消息，预计会出现具有“硬件多线程处理能力”的处理器，而无需软件介入了。

　　Joseph 还说到，可用Cortex-M的SVC来实现这种切换。这与我前面的想法一致，所以我回应说：我知道怎么办了。

　　用Cortex-M的SVC实现协程多任务的切换。

　　实际上，看了我前面所介绍的混合编程实现协程多任务的切换方法；以及知道进入SVC异常服务程序，可从栈中保存的PC取得“后一指令的地址”这一招；掌握汇编的人，都该“知道怎么办了”。 使用SVC，可能要多花费几条指令。

　　SVC #immd指令后面的立即数，可分别指示way_out、yield函数等等；以及传递ret_code等等。不过，SVC往往还承担其他功能调用，如何协调，只能各显神通。大家可自由发挥，海阔天空，无法一一穷尽。再写，就显得多余和啰嗦了。

　　顺便说说，某些培训教材，说的是针对Cortex-M0，关于SVC调用，抄的是《Cortex_M3权威指南》中Cortex-M3关于SVC调用的指令例子。其中，好多条M3的指令在Cortex-M0中是行不通的，千万要注意。最好是去看看Joseph Yiu的《The Definitive Guide to the ARM Cortex-M0》。

　　只可惜，已经告别产品设计了，不能亲手将这种用于ARM Cortex-M的实施方法，用在一个具体的应用产品中去。

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　fy_zhu

　2013-02-26 SV_CA