参考内容:《[野火]uCOS-III内核实现与应用开发实战指南——基于STM32》第 6 章。
前排提醒
- 每一节标题最后的括号是表明该数据类型或函数位于哪个文件中。
- 按照 μC/OS-III 中的函数命名规则,以大小的 OS 开头,表示这是一个外部函数,可以由用户调用,以 OS_ 开头的函数表示内部函数,只能由 μC/OS-III 内部使用。紧接着是文件名,表示该函数放在哪个文件,最后是函数功能名称。例如:OSTaskCreate,说明允许用户调用,位于 os_task.c 文件中。
- extern 的巧妙定义 (os.h):
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| #ifdef OS_GLOBALS #define OS_EXT #else #define OS_EXT extern #endif
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| #ifndef CPU_H #define CPU_H
typedef unsigned short CPU_INT16U; typedef unsigned int CPU_INT32U; typedef unsigned char CPU_INT08U;
typedef CPU_INT32U CPU_ADDR;
typedef CPU_INT32U CPU_STK; typedef CPU_ADDR CPU_STK_SIZE;
typedef volatile CPU_INT32U CPU_REG32;
#endif
#ifndef OS_TYPE_H #define OS_TYPE_H
#include "cpu.h"
typedef CPU_INT16U OS_OBJ_QTY; typedef CPU_INT08U OS_PRIO; typedef CPU_INT08U OS_STATE;
#endif
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0 数据类型声明
0.1 任务控制块(OS_TCB)(os.h)
- 任务控制块(TCB):用于记录栈顶指针和栈的大小。
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| typedef struct os_tcb OS_TCB;
struct os_tcb{ CPU_STK *StkPtr; CPU_STK_SIZE StkSize; };
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- OSTCBCurPtr:全局变量定义,用于记录当前正在运行的任务。
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| OS_EXT OS_TCB *OSTCBCurPtr;
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0.2 就绪列表(OS_RDY_LIST)(os.h)
- 就绪列表:存储任务 TCB 的一个双向链表。为了使同一个优先级支持多个任务,uCOS 使用头尾指针来将 TCB 串成一个双向链表。目前只用到头指针,用来指向任务的 TCB。
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| typedef struct os_rdy_list OS_RDY_LIST;
struct os_rdy_list{ OS_TCB *HeadPtr; OS_TCB *TailPtr; };
typedef void (*OS_TASK_PTR)(void *p_arg);
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- OSTCBHighRdyPtr:全局变量定义,指向就绪任务中优先级最高的任务的 TCB。
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| OS_EXT OS_TCB *OSTCBHighRdyPtr;
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- OSRdyList:全局变量定义,把任务 TCB 指针放到 OSRdyList 数组中。即,使用这个数组,可将各个任务 TCB 组织起来。数组的下标表示任务的优先级。目前用不到这个优先级。
- OS_CFG_PRIO_MAX:宏定义,表示系统支持多少个优先级,目前这里仅用来表示这个就绪列表可以存多少个任务的 TCB 指针。
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| OS_EXT OS_RDY_LIST OSRdyList[OS_CFG_PRIO_MAX];
其中在 os_cfg.h :
#define OS_CFG_PRIO_MAX 32u
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0.3 系统状态 (OSRunning) (os.h)
OSRunning: 全局变量定义,用于指示系统运行状态
1
| OS_EXT OS_STATE OSRunning;
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目前我们有两个任务状态:
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| #define OS_STATE_OS_STOPPED (OS_STATE)(0u) #define OS_STATE_OS_RUNNING (OS_STATE)(1u)
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1 任务的创建
1.1 任务创建函数 OSTaskCreate() (os_task.c)
任务创建函数需要完成的三件事:
- 创建任务栈:调用函数 OSTaskStkInit()。
- 填写 TCB:剩余栈栈顶指针 SP 存入 TCB 的第一个成员 StkPtr。
- 填写 TCB:将任务栈的大小存入 TCB 的第二个成员 StkSize。
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| void OSTaskCreate( OS_TCB *p_tcb, OS_TASK_PTR p_task, void *p_arg, CPU_STK *p_stk_base, CPU_STK_SIZE stk_size, OS_ERR *p_err ) { CPU_STK *p_sp; p_sp = OSTaskStkInit ( p_task, p_arg, p_stk_base, stk_size ); p_tcb->StkPtr = p_sp; p_tcb->StkSize = stk_size; *p_err = OS_ERR_NONE; }
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接下来解释函数 OSTaskStkInit。
1.1.1 任务栈创建函数 OSTaskStkInit() (os_cpu_c.c)
任务栈用来存储各寄存器的状态,以及其他中间数据。
注意:
- 由于是使用 PendSV 中断发起任务切换,因此 CPU 在切换新的任务前,会自动将新任务的任务栈按顺序出栈写入到寄存器中,这个顺序为:R0、R1、R2、R3、R12、R14(LR)、R15(PC)、XPSR。所以,CPU 会按这个顺序将寄存器压入旧任务的任务栈中:XPSR、R15(PC)、R14(LR)、R12、R3、R2、R1、R0。
- 由以上讨论可知:1. 部分寄存器仍没有压入栈中,需要我们自己在程序中手动压入;2. 我们在写程序的时候,入栈和出栈的顺序是严格确定好的,要按照硬件要求去写,不能改变。
- 像 0x14141414u 这些数是方便我们调试的,说白了就是,这样写,我们就容易知道这个位置是 R14 的,不是别的寄存器的。这些数字除了方便我们看之外,没有任何意义,你也可以全部初始化为零,或别的数字。
- R13 哪去了?R13 是栈指针寄存器(PSP),当然不能压入栈了,任务运行时要用到,一个随时改变的值是没必要压入的。不过,你可以将 p_stk 视为 R13。
函数完成的事情:
- 初始化任务栈,先在任务栈中为寄存器预留栈空间,再返回分配好栈空间后的栈指针。
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| CPU_STK *OSTaskStkInit ( OS_TASK_PTR p_task, void *p_arg, CPU_STK *p_stk_base, CPU_STK_SIZE stk_size ) { CPU_STK *p_stk; p_stk = &p_stk_base[stk_size]; *--p_stk = (CPU_STK) 0x01000000u; *--p_stk = (CPU_STK) p_task; *--p_stk = (CPU_STK) 0x14141414u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x12121212u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x03030303u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x02020202u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x01010101u; *--p_stk = (CPU_STK) p_arg; *--p_stk = (CPU_STK) 0x11111111u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x10101010u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x09090909u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x08080808u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x07070707u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x06060606u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x05050505u; *--p_stk = (CPU_STK) 0x04040404u; return p_stk; }
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如下图所示,即为任务栈的结构:
在创建好任务后,可以启动 OS 进行任务调度了。
2 内核OS的启动
2.1 系统初始化 OSInit() (os_core.c)
不过,先等等,系统初始化应在创建任务前完成。
系统初始化完成的事情:
- 标记系统运行状态:停止状态(因为此时未执行函数 OSSTart() )。
- 初始化 OSTCBCurPtr:指向当前正在运行的任务的 TCB,因为此时没有任务创建,因此为 0。
- 初始化 OSTCBHighRdyPtr:指向就绪任务中优先级最高的任务的 TCB。因为本章没有使用优先级,因此为 0。
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| void OSInit (OS_ERR *p_err) { OSRunning = OS_STATE_OS_STOPPED; OSTCBCurPtr = (OS_TCB *) 0; OSTCBHighRdyPtr = (OS_TCB *) 0; OSRdyListInit(); *p_err = OS_ERR_NONE; }
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注意到有个就绪列表初始化的函数,下面来讲解此函数。
2.1.1 就绪列表初始化函数 OS_RdyListInit() (os_core.c)
初始化完成的事情:
- 遍历整个就绪列表,将各节点的头、尾指针清零。这些指针日后将用来存储 TCB 指针。
注意:
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| void OS_RdyListInit (void) { OS_PRIO i; OS_RDY_LIST *p_rdy_list; for ( i = 0u; i < OS_CFG_PRIO_MAX; i++ ) { p_rdy_list = &OSRdyList[i]; p_rdy_list->HeadPtr = (OS_TCB *) 0; p_rdy_list->TailPtr = (OS_TCB *) 0; } }
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2.2 启动系统内核 OSStart() (os_core.c)
现在所有事情准备完毕:系统内核初始化完毕,任务也创建完毕。即可启动系统 OS,进行任务的切换。
完成的事情:
- 让 OSTCBHighRdyPtr 指向第 1 个任务。由于本文尚未用到优先级,因此最高优先级在这里无意义。
- 启动任务切换函数 OSStartHighRdy(),并且不再返回本函数。
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| void OSStart (OS_ERR *p_err) { if ( OSRunning == OS_STATE_OS_STOPPED ) { OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[0].HeadPtr; OSStartHighRdy(); *p_err = OS_ERR_FATAL_RETURN; } else{ *p_err = OS_STATE_OS_RUNNING; } }
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下面讲解 OSStartHighRdy。不得不说,个人认为,这是 uCOS 最精彩的部分之一,编写者巧妙地利用中断达到了预期的功能(虽然这也是现代操作系统进行任务切换的常用方式,但依然让我体会到了什么是编程的艺术)。
3 任务的切换
3.1 任务切换函数 OSStartHighRdy (ARM汇编) (os_cpu_a.s)
PendSV是可悬起异常,如果我们把它配置最低优先级,那么如果同时有多个异常被触发,它会在其他异常执行完毕后再执行,而且任何异常都可以中断它。
uCOS 使用中断的方式来进行任务切换。在此之前,需要做一些准备。
注意:
完成的事情:
- 配置 PendSV 异常的优先级为最低。CM3 内核支持 256 个优先级,因此最低优先级为 0xFF。在寄存器 SCB_SHPR3 中配置其优先级。
- 因为系统刚启动,还没有任务,设置栈指针 PSP 为 0。
- 触发 PendSV 异常,开中断,进行上下文切换。在寄存器 NVIC_INT_CTRL 的位 28 为 PENDSVSET,置位表示 PendSV 异常触发。
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| ;**********常量********** NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; 中断控制及状态寄存器 SCB_ICSR NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; 系统优先级寄存器 SCB_SHPR3:bit 16~23 NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF ; PendSV 优先级的值(最低) NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; 触发 PendSV 异常的值 Bit28:PENDSVSET
;**********开始进行第一次任务切换********** OSStartHighRdy
; 配置 PendSV 的优先级为 0XFF,即最低,防止接下来的 PendSV 中断服务程序进行上下文切换, ; 即 PendSV 中断服务程序不允许中断 LDR R0, = NVIC_SYSPRI14 ; 系统优先级寄存器 SCB_SHPR3:bit 16~23 LDR R1, = NVIC_PENDSV_PRI STRB R1, [R0]
; 设置 PSP 的值为 0,开始第一个任务切换 ; 在任务中,使用的栈指针都是 PSP,后面如果判断出 PSP 为 0,则表示第一次任务切换 MOVS R0, #0 MSR PSP, R0
; 触发 PendSV 异常,如果中断启用且有编写 PendSV 异常服务函数的话, ; 则内核会响应 PendSV 异常,去执行 PendSV 异常服务函数 LDR R0, = NVIC_INT_CTRL ; 中断控制及状态寄存器 SCB_ICSR 的地址 LDR R1, = NVIC_PENDSVSET ; 触发 PendSV 异常的值 Bit28:PENDSVSET STR R1, [R0]
; 开中断 CPSIE I
; 程序永远不会执行到这 OSStartHang B OSStartHang
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3.2 中断服务程序 PendSV_Handler (ARM汇编) (os_cpu_a.s)
一旦触发了 PendSV 异常,那么将运行该中断服务程序。这个程序的结构大体如下:
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| OS_CPU_PendSVHandler CPSID I ; 关中断 ;保存上文 ;....................... ;切换下文 CPSIE I ;开中断 BX LR ;异常返回
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在看下面的程序之前,撇开系统启动的话题,不妨想一下,假设我们找到了优先级最高的任务,现在需要切换到这个任务,我们需要做些什么?
- 首先,需要保存之前任务的寄存器状态,当前 PSP 指向的是当前任务的栈,因此可先把它们压到之前任务的栈中。注意,进入中断前,硬件已自动压入了一些寄存器的状态,其他的寄存器需要我们自己手动压栈。接着需要更新(保存)当前任务的 TCB 内容,回忆一下,这个 TCB 存储了该任务的栈指针和栈大小等信息,因此可将 PSP 存入 StkPtr。总之,寄存器和 TCB,缺一不可。
- 其次,需要切换栈,这一点毋庸置疑吧?因此,OSTCBCurPtr 即用来记录当前运行任务的 TCB 指针需要指向新的 TCB,而这个 TCB 存储了该任务的栈指针和栈大小等信息,那么我们可以将该任务 TCB 的 StkPtr 传给 PSP。
- 再次,找到的优先级最高任务的 TCB 指针存放在 OSTCBHighRdyPtr,所以要更新 OSTCBCurPtr 的内容,使 OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr。
- 最后,让新任务栈中的寄存器状态出栈,加载到寄存器中。我们要手动加载部分寄存器,剩余的寄存器由中断返回时加载,在这时 PC 值也被更新为新任务的地址了(这个地址不一定是任务入口处,也可能是之前被打断的地方)。
- 到此为止,我们修改了什么?PSP、OSTCBCurPtr 和寄存器状态。
好,读懂这段代码应该是顺理成章的事情了。总结一下,程序完成的功能有:
- 关中断。
- 先判断栈指针是否为 0,如果为 0,说明是系统刚启动,在进行第一次任务切换,之前没有任务,那么我们不用将寄存器手动压栈了,跳过这个步骤。至于 CPU 自己压入的寄存器值,可以不管。
- 如果不是第一次任务切换,那么需要将寄存器手动压栈。(保存上文)
- 将 OSTCBHighRdyPtr(新任务 TCB) 存到 OSTCBCurPtr 中,表明现在运行的任务已改变,得到新任务 TCB。
- 从新任务 TCB 得到了其栈指针,那么加载新任务的栈指针到 PSP,得到新任务栈的位置。
- 已得到了新任务的栈,那么将其存储的寄存器状态手动出栈,加载到寄存器中。(加载下文) (不得不说,以上三步应该是整个切换过程中最画龙点睛的地方!)
- 完成上下文切换,开中断。
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| ;**********PendSVHandler异常********** PendSV_Handler CPSID I ; 关中断,防止上下文切换
MRS R0, PSP ; 将 PSP 加载到 R0,MRS 是 ARM 32 位数据加载指令, ; 功能是加载特殊功能寄存器的值到通用寄存器 CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; 判断 R0,如果值为 0 则跳转到 OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; 进行第一次任务切换的时候,R0 肯定为 0 STMDB R0!, {R4-R11} ; 手动存储 R4-R11 寄存器到当前任务栈中,而其他寄存器会被 CPU 自动入栈 LDR R1, = OSTCBCurPtr ; 将 OSTCBCurPtr 指针的地址加载到 R1 LDR R1, [R1] ; 将 OSTCBCurPtr 指针加载到 R1 STR R0, [R1] ; 存储 R0(任务栈栈顶)的值到 OSTCBCurPtr(->StkPtr)
OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; 使 OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr LDR R0, = OSTCBCurPtr ; 将 OSTCBCurPtr 指针的地址加载到 R0 LDR R1, = OSTCBHighRdyPtr ; 将 OSTCBHighRdyPtr 指针的地址加载到 R1 LDR R2, [R1] ; 将 OSTCBCurPtr 指针加载到 R2 STR R2, [R0] ; 将 OSTCBHighRdyPtr(R2)存到 OSTCBCurPtr(R0) LDR R0, [R2] ; 加载 OSTCBHighRdyPtr(->StkPtr) 到 R0 LDMIA R0!, {R4-R11} ; 加载需要手动保存的信息到 CPU 寄存器 R4-R11,其他寄存器将在返回后由 CPU 自动装载 MSR PSP, R0 ; 更新PSP的值,这个时候PSP指向下一个要执行的任务的堆栈的栈底(这个栈底已经加上刚刚手动加载到CPU寄存器R4-R11的偏移) ORR LR, LR, #0x04 ; 确保异常返回使用的堆栈指针是PSP,即LR寄存器的位2要为1 CPSIE I ; 开中断 BX LR ; 异常返回,这个时候任务堆栈中的剩下内容将会自动加载到xPSR,PC(任务入口地址),R14,R12,R3,R2,R1,R0(任务的形参) ; 同时PSP的值也将更新,即指向任务堆栈的栈顶。在STM32中,堆栈是由高地址向低地址生长的。 NOP ; 为了汇编指令对齐,不然会有警告 END
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简要说明下面这行代码的意思:在 CM3 中,栈指针分为 MSP 和 PSP,任意时刻只能使用其中一个,MSP为复位后缺省使用的堆栈指针,异常永远使用MSP,如果手动开启PSP,那么线程使用PSP,否则也使用MSP。置 LR 的位 2 为 1,那么异常返回后,CPU 将使用 PSP。
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| ORR LR, LR, #0x04 ; 确保异常返回使用的堆栈指针是PSP,即LR寄存器的位2要为1
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3.3 任务切换函数 OSShed() (os_core.c)
该函数用于任务切换,由于还没有实现优先级等功能,因此我们先使用两个任务轮转的方式来编写。实质是,通过 PendSV 异常(宏定义 OS_TASK_SW)来改变 OSTCBCurPtr 的值,从而达到任务切换的效果。
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| void OSSched (void) { if( OSTCBCurPtr == OSRdyList[0].HeadPtr ) { OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[1].HeadPtr; } else { OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[0].HeadPtr; } OS_TASK_SW(); }
|
在 os_cpu.h 中已经定义:
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| #ifndef OS_CPU_H #define OS_CPU_H
#ifndef NVIC_INT_CTRL #define NVIC_INT_CTRL *((CPU_REG32 *)0xE000ED04) #endif
#ifndef NVIC_PENDSVSET #define NVIC_PENDSVSET 0x10000000 #endif
#define OS_TASK_SW() NVIC_INT_CTRL = NVIC_PENDSVSET #define OSIntCtxSw() NVIC_INT_CTRL = NVIC_PENDSVSET
void OSStartHighRdy(void); void PendSV_Handler(void);
#endif
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4 任务创建及切换实例 (app.c)
功能:实现两个任务的切换。
在 app.c 中:
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| #include "ARMCM3.h" #include "os.h"
#define TASK1_STK_SIZE 20 #define TASK2_STK_SIZE 20
static CPU_STK Task1Stk[TASK1_STK_SIZE]; static CPU_STK Task2Stk[TASK2_STK_SIZE];
static OS_TCB Task1TCB; static OS_TCB Task2TCB;
uint32_t flag1; uint32_t flag2;
void Task1 (void *p_arg); void Task2 (void *p_arg); void delay(uint32_t count);
int main (void) { OS_ERR err; OSInit(&err); OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task1TCB, (OS_TASK_PTR ) Task1, (void *) 0, (CPU_STK*) &Task1Stk[0], (CPU_STK_SIZE) TASK1_STK_SIZE, (OS_ERR *) &err);
OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task2TCB, (OS_TASK_PTR ) Task2, (void *) 0, (CPU_STK*) &Task2Stk[0], (CPU_STK_SIZE) TASK2_STK_SIZE, (OS_ERR *) &err); OSRdyList[0].HeadPtr = &Task1TCB; OSRdyList[1].HeadPtr = &Task2TCB; OSStart(&err); }
void delay (uint32_t count) { for(; count!=0; count--); }
void Task1 (void *p_arg) { for( ;; ) { flag1 = 1; delay( 100 ); flag1 = 0; delay( 100 ); OSSched(); } }
void Task2 (void *p_arg) { for( ;; ) { flag2 = 1; delay( 100 ); flag2 = 0; delay( 100 ); OSSched(); } }
|
-
刚开始的运行流程:OS 系统初始化(OSInit) -> 初始化就绪列表(OS_RdyListInit) -> 创建任务(OSTaskCreate) -> 创建任务栈(OSTaskStkInit) -> 任务加入就绪列表 -> 启动 OS(OSStart) -> 启动任务切换(OSStartHighRdy) -> 触发 PendSV 异常(PendSV_Handler) -> 完成上下文切换(OSTCBCurPtr更新、任务栈切换)。
-
任务切换流程:任务主动发起切换(OSSched) -> 主动触发 PendSV 异常 -> 完成上下文切换(OSTCBCurPtr更新、任务栈切换)。
通过漫长的 Debug 和找 bug,终于将程序仿真了出来。这次自己写任务创建和切换的代码,还有之前对 uCOS 的移植,可以说我们是真正踏上了 uCOS 的学习道路。