【MCU实战经验】向μC/OS-III在STM32F4xx上的移植中添加FPU支持

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erabby 发布时间：2014-4-28 00:19

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因项目需要使用STM32F417的硬件浮点单元，但当时Micrium的官方移植µC/OS-III V3.03.01 (2013/01/23)不支持FPU，因此需要修改代码添加FPU支持。
首先，为了便于控制是否使用FPU，定义一个宏 USE_FPU。需要使用FPU时在MDK的工程选项中定义这个宏，要在”C/C++“和”Asm“选项卡中都定义，这样无论C代码还是汇编代码中都可以使用这个宏了。需要注意的是，预定义宏__TARGET_FPU_VFP只能在C文件中使用，汇编文件中不能使用。
然后，在CPU初始化代码中设置FPU。在官方移植中，设置代码已经有了，但被注释掉了，只要取消注释即可，然后再设置代码前后添加条件编译：
IF

EF: USE_FPU

;Enable FPU
;Use reset settings: automatic lazy FPU state preservation
                LDR     R0, =0xE000ED88           ; Enable CP10,CP11
                LDR     R1,[R0]

<span lang="EN-US" style="font-size: 9pt; font-family: Arial, sans-serif;">                ORR     R1,R1,#(0xF

赞收藏评论6 发布时间：2014-4-28 00:19

6个回答

erabby 回答时间：2014-4-28 00:20:11

RE:【MCU实战经验】向μC/OS-III在STM32F4xx上的移植中添加FPU支持

下一步，修改os_cpu_c.c文件中的OSTaskStkInit()函数，创建任务时在任务栈中设置浮点寄存器的初值。修改后的OSTaskStkInit()函数代码如下：
CPU_STK  *OSTaskStkInit (OS_TASK_PTR p_task,
void       *p_arg,
CPU_STK    *p_stk_base,
CPU_STK    *p_stk_limit,
CPU_STK_SIZE stk_size,
OS_OPT       opt)
{
CPU_STK  *p_stk;

(void)opt;                                           /* Prevent compiler warning                            */
p_stk = &p_stk_base[stk_size];                         /* Load stack pointer                                  */
/* Align the stack to 8-bytes.                         */
p_stk = (CPU_STK *)((CPU_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8);
/* Registers stacked as if auto-saved on exception       */
#ifdef  USE_FPU
*--p_stk = (CPU_STK)0xABCD1234u; /* Reserved                                              */
*--p_stk = (CPU_STK)0x00000000u; /* FPSCR                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01515u; /* S15                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01414u; /* S14                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01313u; /* S13                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01212u; /* S12                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01111u; /* S11                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01010u; /* S10                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00909u; /* S9                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00808u; /* S8                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00707u; /* S7                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00606u; /* S6                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00505u; /* S5                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00404u; /* S4                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00303u; /* S3                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00202u; /* S2                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00101u; /* S1                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC00000u; /* S0                                                    */
#endif  /* USE_FPU */
*--p_stk = (CPU_STK)0x01000000u;                      /* xPSR                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)p_task;                            /* Entry Point                                           */
*--p_stk = (CPU_STK)OS_TaskReturn;                   /* R14 (LR)                                              */
*--p_stk = (CPU_STK)0x12121212u;                      /* R12                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x03030303u;                      /* R3                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x02020202u;                      /* R2                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)p_stk_limit;                      /* R1                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)p_arg;                            /* R0 : argument                                        */
/* Remaining registers saved on process stack          */
#ifdef  USE_FPU
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC03131u; /* S31                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC03030u; /* S30                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02929u; /* S29                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02828u; /* S28                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02727u; /* S27                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02626u; /* S26                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02525u; /* S25                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02424u; /* S24                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02323u; /* S23                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02222u; /* S22                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02121u; /* S21                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC02020u; /* S20                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01919u; /* S19                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01818u; /* S18                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01717u; /* S17                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x7FC01616u; /* S16                                              */
#endif  /* USE_FPU */
*--p_stk = (CPU_STK)0x11111111u;                      /* R11                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x10101010u;                      /* R10                                                 */
*--p_stk = (CPU_STK)0x09090909u;                      /* R9                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x08080808u;                      /* R8                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x07070707u;                      /* R7                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x06060606u;                      /* R6                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x05050505u;                      /* R5                                                    */
*--p_stk = (CPU_STK)0x04040404u;                      /* R4                                                    */
return (p_stk);
}
其中红色代码是新添加的处理浮点寄存器的代码。特别注意注释为Reserved的第2行红字，在任务栈中保存这个保留的32位字是必须的，其值没有特别要求，请参考ARMv7-M Architecture Reference Manual (DDI0403D)。

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erabby 回答时间：2014-4-28 00:24:30

回复:【MCU实战经验】向μC/OS-III在STM32F4xx上的移植中添加FPU支持

最后，修改os_cpu_a.asm文件中的OS_CPU_PendSVHandler子程序，任务切换时保存旧任务的浮点寄存器并加载新任务的浮点寄存器值。修改后的OS_CPU_PendSVHandler子程序代码如下：
OS_CPU_PendSVHandler
    CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch
    MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer
    CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave                     ; Skip register save the first time

        IF

EF: USE_FPU

        VMRS    R1, FPSCR ; Dummy read access to force FPU state preservation and FPSCR clear
        SUBS    R0, R0, #0x40 ; Save remaining FP regs s16-s31 on process stack
        VSTM      R0, {D8-D15}

        ENDIF

    SUBS    R0, R0, #0x20                                       ; Save remaining regs r4-11 on process stack
    STM     R0, {R4-R11}

    LDR     R1, =OSTCBCurPtr                                    ; OSTCBCurPtr->OSTCBStkPtr = SP;
    LDR     R1, [R1]
    STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out

; At this point, entire context of process has been saved
OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    PUSH    {R14}                                               ; Save LR exc_return value
    LDR     R0, =OSTaskSwHook                                   ; OSTaskSwHook();
    BLX     R0
    POP     {R14}

    LDR     R0, =OSPrioCur                                      ; OSPrioCur   = OSPrioHighRdy;
    LDR     R1, =OSPrioHighRdy
    LDRB    R2, [R1]
    STRB    R2, [R0]

    LDR     R0, =OSTCBCurPtr                                    ; OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr;
    LDR     R1, =OSTCBHighRdyPtr
    LDR     R2, [R1]
    STR     R2, [R0]

    LDR     R0, [R2]                                            ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdyPtr->StkPtr;
    LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4-11 from new process stack
    ADDS    R0, R0, #0x20

        IF

EF: USE_FPU

        VLDM      R0, {D8-D15} ; Restore s16-s31 from new process stack
        ADDS       R0, R0, #0x40

        ENDIF

    MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SP
    ORR     LR, LR, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stack

        IF

EF: USE_FPU

        AND         LR, LR, #0xFFFFFFEF ; Clear LR to ensure FPU state restore
        LDR     R0, =0xE000EF34 ; Clear FPCCR (LSPACT) to ensure FPU state restore
  LDR     R1, [R0]
  AND     R1, R1, #0xFFFFFFFE
  STR     R1, [R0]

        ENDIF

        CPSIE   I
BX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context
其中红色代码是新添加的处理浮点寄存器的代码。几点说明：
1)根据FPCCR的设置值（就是复位值ASPEN=1, LSPEN=1），如果发生PendSV异常时CONTROL.FPCA=1，在进入PendSV异常处理函数时，硬件会自动在任务栈保留浮点寄存器占用的空间，首先通过读FPSCR寄存器让硬件自动保存浮点寄存器S0~S15和浮点状态寄存器FPSCR到任务栈，然后手动保存其余的浮点寄存器S16~S31。
2)在退出PendSV异常处理函数前，清除LR第4位并清除FPCCR寄存器第0位（LSPACT），目的是让硬件在退出PendSV异常处理函数时自动从任务栈恢复浮点寄存器S0~S15和浮点状态寄存器FPSCR。这样如果新任务是第一次运行，则可实现从任务栈加载浮点寄存器初值，否则是从任务栈加载以前保存的值，并且可以保证每个任务运行时都有CONTROL.FPCA=1。
3)虽然使能了延迟保存浮点状态功能，但因为总是有CONTROL.FPCA=1，因此无论旧任务是否执行过浮点指令，在进入PendSV异常处理函数执行任务切换时，都会保存旧任务的浮点寄存器，加载新任务的浮点寄存器，没有利用延迟保存浮点状态功能可减小中断延迟的优势。