RTOS系列文章（2）：PendSV功能，为什么需要PendSV

背景

大多数嵌入式RTOS在Cortex-M3/M4上的移植都需要PendSV，比如uCOS、RT-Thread、FreeRTOS等，本文就对PendSV的功能作用，以及为什么需要PendSV进行详细的分析。

PendSV是什么？

我们先引用《Cortex-M3权威指南》对PendSV的介绍：

PendSV（可悬起的系统调用），它是一种CPU系统级别的异常，它可以像普通外设中断一样被悬起，而不会像SVC服务那样，因为没有及时响应处理，而触发Fault。

个人理解PendSV的英文全称应该是：Pend System Service Call，简称PendSV.
所以PendSV的最大特点就是，它是系统级别的异常，但它又天生支持【缓期执行】。

PendSV使用场景

由于PendSV的特点就是支持【缓期执行】，所以嵌入式OS可以利用它这个特点，进行任务调度过程的上下文切换。而为什么要使用【缓期执行】的特点来进行上下文切换呢？简单的说就是任何嵌入式RTOS，都需要尽量不打断外设中断。
我们来举例说明，假如一个系统中有2个就绪的任务，上下文切换被切换的场合有：

1. 执行了一个系统调用SVC。
2. 系统滴答定时器SYSTICK中断，触发了任务的调度。

没有外部中断，OS直接切换任务

假如我们在Systick中断服务程序中，启动上下文切换，流程图如下：

上图中，似乎一切都正常，任务调度很流畅，但现实总是很骨感的，不可能这么简单，假如在产生异常时，CPU正在响应另一个中断ISR1，而SysTick的优先级又大于ISR1，在这种情况下，SysTick就会抢占ISR1，获取CPU使用权，但是在SysTick中不能进行上下文切换，因为这将导致中断ISR1被延迟，这在实时要求的系统中是不能容忍的，但是这个说辞只是为了方便理解，更重要的是：

在Cortex-M3中，如果OS在某个中断活跃时，抢占了该中断，而且又发生了任务调度，并执行了任务，切换到了线程运行模式，将直接触发Fault异常。

SysTick优先级高于外部中断，OS抢占IRQ进行任务调度触发Fault

如下图所示：

为了解决这个问题，早起的OS大多会检测当前是否有中断在活跃中，只有在无任何中断需要响应时，才进行上下文切换，切换期间无法响应中断。
这个时候，可能会有人想，既然有上面的原因限制，我能不能将SysTick的优先级设置为最低，然后在SysTick中进行上下文切换，然后任务调度呢？ 答案是：可以。这一点在Cortex-M3权威指南中没有解释，反而影响了很多读者对于PendSV的理解。按照上面的思路，我们分析一下整体流程：

Systick中断优先级低与IRQ，任务调度流程

在上图中我们可以看到，当OS的Systick中断级别低于外部中断时，确实不会触发Fault，但是这带来了一个问题：

一般OS在调度任务时，会关闭中断，也就是进入临界区，而OS任务调度是要耗时的，这就会出现一种情况：
在任务调度期间，如果新的外部IRQ发生，CPU将不能够快速响应处理。

将SysTick的优先级调低，避免了触发Fault的问题，但是会影响外部中断IRQ的处理速度，那有没有进一步优化的方法呢？答案就是PenSV。因为PendSV有【缓期执行】的特点，所以可以将上图中的OS拆分，分成2段：

1. 滴答定时器中断，制作业务调度前的判断工作，不做任务切换。
2. 触发PendSV，PendSV并不会立即执行，因为PendSV的优先级最低，如果此时正好有IRQ请求，那么先响应IRQ，最后等到所有优先级高于PendSV的IRQ都执行完毕，再执行PendSV，进行任务调度。

Systick、PendSV优先级低，只在PendSV中进行上线文切换，任务调度

上述的流程就是目前常见的嵌入式RTOS的任务调度流程，uC/OS和FreeRTOS都会将Systick和PendSV的优先级设置为最低。
到这里，可能会有人又有疑问，这样做是不是也有缺点：

1. SysTick的优先级最低，那如果外部IRQ比较频繁，是不是会导致SysTick经常被挂起，然后滞后，导致Systick的节拍延长，进而导致不准啊？
2. 因为1的原因，导致任务的执行调度就不够快了？

答案：确实存在这些问题，但是这些问题影响面已经很小了。我们能不能将SysTick的优先级设置成最高，将PendSV的优先级设置为低，就能完美的解决上述问题，我们不妨分析下这种情况：

这样似乎解决了问题，但是又带来了一个问题，因为SysTick的优先级最高，而且又是周期性的触发，会导致经常抢占外部IRQ，这就会导致外部IRQ响应变慢，这在一些对实时性要求高的，比如按键、断电中断等待，是不能接受的，你肯定不希望你的按键扫描体验卡顿。
所以，没有十全十美的解决方案，关键是要看我们更关注什么？对于CPU来说，嵌入式OS也是一个程序，跟普通的裸机程序是一样的，无非就是复杂一些，涉及到了手动切换堆栈、PC等高级操作而已，OS的优先级天生就没有外部中断的优先级高。

小结

1. PendSV是可悬起系统中断，具有【缓期执行】特征。
2. PendSV一般被嵌入式OS用于 任务调度的上下文切换。
3. 使用PendSV时，一般会将PendSV的优先级设置为最低，让外部IRQ先执行，等到没有外部中断后，在执行上下文切换。
4. 嵌入式实时操作系统的【实时】概念，并不仅仅指应用程序、任务的调度实时，而是指整个系统的实时性高，具备【可剥夺】特点，当有高优先级的中断、任务具备执行条件时，立刻中断当前正在运行的任务，去执行高优先级的IRQ和高优先级任务。
5. 嵌入式OS一般会将SysTick的优先级也设置为最低，保证外部中断IRQ优先，详细的分析，我们下一篇文章讨论。