# RTOS 學習筆記 - 1
> 參考資源：[科技下午茶 - RTOS-01](https://www.youtube.com/watch?v=a0jo2wJXhgU&list=PLJvU73y7BpTsNAHgz0KoRtcyq16xflK9K)。

## OS v.s. Micro Kernel

### Linux 架構及名詞解釋
- Open System：隨時能下載新的應用程式（如 Linux、Windows、Android）。
- Closed System：產品出貨之後，Application 就定了，不能再下載新的應用程式（如大部分的嵌入式系統）。
- Dynamic Linking：OS 本身所提供的 API 或服務可以在出貨之後「再更新」（如 Windows Update）。於 Windows 可用 DLL 達成；在 Linux 則有 Shell library 的概念。
- Static Linking：大部分簡單的 OS。API 無法再增加。
- Monolithic Kernel：如 Linux（百萬行程式碼），是單核心的龐大設計，效率較佳；但維護起來較麻煩。
- Micro Kernel：約幾千行，此設計下的 Kernel 只提供基本服務（Task、IPC、Memory），調整上較快速且穩定、容易維護。大部分 MCU 市場皆屬於此設計。

### RTOS for MCU
- MCU 的常見設計為「單核」且「無 MMU（Memory Management Unit），意味著無 Virtual Address」。
- 多數 RTOS 僅提供
- Task Management（Create/Delete, Scheduler, Priority, etc.）
- IPC（Queue, Event, Semaphore, etc.）
- Memory services
> 故本質上應歸類於 Micro Kernel。
- 以 Micro Kernel 搭配獨立的 Services，理論上可架構出完整的 OS，但在 MCU 的應用上幾乎未見。
- MCU 的軟體架構（如 CMSIS、NXP-SDK）中，RTOS 多以「模組」的方式存在，其定位如同 Vendor APIs，處於平行的層級。
- 對於複雜的需求，透過 RTOS 的多緒能力，可明顯降低設計上的負擔。如啟用常駐服務、背景監聽等。

## C v.s. ARM
> C 語言的成功，讓 ARM 在設計其 Instructions 時，針對 C 的特性去作最佳化。

高階語言設計與 CPU 架構發展時，會有「互相參考」的情形。

## Context Switch
Context Switch：Task 之間的交換執行。
> FreeRTOS：在 Task 的環境保存方面，只用到 2 Blocks，即 TCB（Task Control Block）－放 Block 的基本資訊（如 Task 名稱、堆疊大小、優先級等）；Stack－放暫存器內容。

### 程式解析（以 Cortex-M 為例）

參照 [FreeRTOSConfig.h](https://github.com/Infineon/freertos/blob/master/Source/portable/COMPONENT_CM33/FreeRTOSConfig.h) 之三種 ISR 如下，以便說明 Context Switch 運作原理：

/* Definitions that map the FreeRTOS port interrupt handlers to their CMSIS
standard names - or at least those used in the unmodified vector table. */
#define vPortSVCHandler     SVC_Handler
#define xPortPendSVHandler  PendSV_Handler
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

- `SVC_Handler`：用於啟動第一個 Task，同時設定 PSP。
- `SysTick_Handler`：當 TIME_SLICING 啟動後，可用於強制切換 Task（取決於優先級）。
- `PendSV_Handler`：Context Switch 執行之處。

> 此三種 ISR 皆為 Cortex-M 內建。

### `SysTick_Handler`

觀察 [port.c](https://github.com/Infineon/freertos/blob/master/Source/portable/COMPONENT_CM4/TOOLCHAIN_ARM/port.c#L508) 中，`xPortSysTickHandler` 的函式內容：

void xPortSysTickHandler( void )
{
    /* The SysTick runs at the lowest interrupt priority, so when this interrupt
     * executes all interrupts must be unmasked.  There is therefore no need to
     * save and then restore the interrupt mask value as its value is already
     * known. */
    portDISABLE_INTERRUPTS();
    {
        /* Increment the RTOS tick. */
        if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
        {
            /* A context switch is required.  Context switching is performed in
             * the PendSV interrupt.  Pend the PendSV interrupt. */
            portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
        }
    }
    portENABLE_INTERRUPTS();
}

進出函式時，會分別「將中斷關閉 / 開啟」，因函式中段是一 Critical section，可能執行 Task 切換動作。

`xTaskIncrementTick` 函式透過 tick+1 來實現 Task Switching，若發現有 Task 需要交換，則回傳 `true` 並紀錄一些狀態。接著透過設定 `portNVIC_PENDSVSET_BIT`，由 PendSV 接手執行。

### `PendSV_Handler`

同樣在 port.c 中，存在 `xPortPendSVHandler` 函式如下：

void xPortPendSVHandler( void )
{
    __asm volatile
    (
        "    mrs r0, psp			\n"
        "    isb				\n"
        "					\n"
        "    ldr	r3, pxCurrentTCBConst	\n"/* Get the location of the current TCB. */
        "    ldr	r2, [r3]		\n"
        "					\n"
        "    tst r14, #0x10			\n"/* Is the task using the FPU context?  If so, push high vfp registers. */
        "    it eq				\n"
        "    vstmdbeq r0!, {s16-s31}	        \n"
        "					\n"
        "    stmdb r0!, {r4-r11, r14}		\n"/* Save the core registers. */
        "    str r0, [r2]			\n"/* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */
        "					\n"
        "    stmdb sp!, {r0, r3}		\n"
        "    mov r0, %0 			\n"
        "    msr basepri, r0			\n"
        "    dsb				\n"
        "    isb				\n"
        "    bl vTaskSwitchContext	        \n"
        "    mov r0, #0				\n"
        "    msr basepri, r0		        \n"
        "    ldmia sp!, {r0, r3}		\n"
        "					\n"
        "    ldr r1, [r3]			\n"/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
        "    ldr r0, [r1]			\n"
        "					\n"
        "    ldmia r0!, {r4-r11, r14}		\n"/* Pop the core registers. */
        "					\n"
        "    tst r14, #0x10			\n"/* Is the task using the FPU context?  If so, pop the high vfp registers too. */
        "    it eq				\n"
        "    vldmiaeq r0!, {s16-s31}		\n"
        "					\n"
        "    msr psp, r0			\n"
        "    isb				\n"
        "					\n"
        "    bx r14				\n"
        "					\n"
        "pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB	\n"
        ::"i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY )
    );
}

> 注意，若換成 RISC-V 等，則實作上會截然不同。

Context Switch 流程可如下呈現：