Cortex-M3/M4之SVC和PendSV异常

一、SVC异常

SVC(系统服务调用，亦简称系统调用)用于产生系统函数的调用请求。例如，操作系统不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，用户程序使用 SVC 发出对系统服务函数的呼叫请求，以这种方法调用它们来间接访问硬件。

因此，当用户程序想要控制特定的硬件时，它就会产生一个 SVC 异常，然后操作系统提供的 SVC 异常服务例程得到执行，它再调用相关的操作系统函数，后者完成用户程序请求的服务。这种“提出要求——得到满足”的方式，很好、很强大、很方便、很灵活、很能可持续发展。

首先，它使用户程序从控制硬件的繁文缛节中解脱出来，而是由 OS 负责控制具体的硬件。

第二， OS 的代码可以经过充分的测试，从而能使系统更加健壮和可靠。

第三，它使用户程序无需在特权级下执行，用户程序无需承担因误操作而瘫痪整个系统的风险。

第四，通过 SVC 的机制，还让用户程序变得与硬件无关，因此在开发应用程序时无需了解硬件的操作细节，从而简化了开发的难度和繁琐度，并且使应用程序跨硬件平台移植成为可能。开发应用程序唯一需要知道的就是操作系统提供的应用编程接口(API)，并且了解各个请求代号和参数表，然后就可以使用 SVC 来提出要求了。 其实，严格地讲，操作硬件的工作是由设备驱动程序完成的，只是对应用程序来说，它们也是操作系统的一部分，如图所示。

 SVC 异常通过执行” SVC”指令来产生。该指令需要一个立即数，充当系统调用代号。 SVC异常服务例程稍后会提取出此代号，从而解释本次调用的具体要求，再调用相应的服务函数。

例如：SVC 0x3 ; 调用 3 号系统服务

在 SVC 服务例程执行后，上次执行的 SVC 指令地址可以根据自动入栈的返回地址计算出。找到了 SVC 指令后，就可以读取该 SVC 指令的机器码，从机器码中萃取出立即数，就获知了请求执行的功能代号。如果用户程序使用的是 PSP， 服务例程还需要先执行 MRSRn,PSP 指令来获取应用程序的堆栈指针。通过分析 LR 的值，可以获知在 SVC 指令执行时正在使用哪个堆栈。

二、PendSV异常

PendSV（可悬起的系统调用），它和 SVC 协同使用。一方面， SVC 异常是必须立即得到响应的应用程序执行 SVC 时都是希望所需的请求立即得到响应。另一方面， PendSV 则不同，它是可以像普通的中断一样被悬起的（不像 SVC 那样会上访）。 OS 可以利用它“缓期执行” 一个异常，直到其它重要的任务完成后才执行动作。 悬起 PendSV 的方法是：手工往 NVIC 的PendSV 悬起寄存器中写 1。 悬起后， 如果优先级不够高，则将缓期等待执行。PendSV 的典型使用场合是在上下文切换时（在不同任务之间切换）。例如，一个系统中有两个就绪的任务，上下文切换被触发的场合可以是：
1、执行一个系统调用

2、系统滴答定时器（systick）中断（轮转调度中需要）
举个例子来理解：假设有这么一个系统，里面有两个就绪的任务，并且通过SysTick异常启动上下文切换，如下图所示：

上图是两个任务轮转调度的示意图。但若在产生 Sys Tick 异常时正在响应一个中断，则 SysTick 异常会抢占其 ISR。在这种情况下， OS 不得执行上下文切换，否则将使中断请求被延迟，而且在真实系统中延迟时间还往往不可预知——任何有一丁点实时要求的系统都决不能容忍这种事。因此，在 CM3/CM4 中也是严禁没商量——如果 OS 在某中断活跃时尝试切入线程模式，将触犯用法 fault 异常，如图所示。

为解决此问题，早期的 OS 会检测当前是否有中断在活跃中，只有没有任何中断需要响应时，才执行上下文切换（切换期间无法响应中断）。然而，这种方法的弊端在于，它可以把任务切换动作拖延很久(因为如果抢占了 IRQ，本次 SysTick 在执行后不得作上下文切换，只能等待下一SysTick 异常），尤其是当某中断源的频率和 Sys Tick 异常的频率比较接近时，会发生“共振”。现在好了， Pen d SV 来完美解决这个问题了。 Pen d SV 异常会自动延迟上下文切换的请求， 直到其它的 ISR 都完成了处理后才放行。为实现这个机制，需要把 PendSV 编程为最低优先级的异常。如果 O S 检测到某 IRQ 正在活动并且被 SysTick 抢占，它将悬起一个 PendSV异常， 以便缓期执行上下文切换，如图所示。

上图中事件的流水账记录如下：

(1) 任务 A 呼叫 SVC 来请求任务切换（例如，等待某些工作完成）
(2) OS 接收到请求，做好上下文切换的准备，并且 pend 一个 PendSV 异常。
(3) 当 CPU 退出 SVC 后，它立即进入 PendSV，从而执行上下文切换。
(4) 当 PendSV 执行完毕后，将返回到任务 B，同时进入线程模式。
(5) 发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行
(6) 在 ISR 执行过程中，发生 SysTick 异常，并且抢占了该 ISR。
(7) OS 执行必要的操作，然后 pend 起 PendSV 异常以作好上下文切换的准备。
(8) 当 SysTick 退出后，回到先前被抢占的 ISR 中， ISR 继续执行
(9) ISR 执行完毕并退出后， PendSV 服务例程开始执行，并且在里面执行上下文切换。
(10) 当 PendSV 执行完毕后，回到任务 A，同时系统再次进入线程模式。