arm - Cortex-M4F 惰性 FPU 堆叠

Question

我正在为 Cortex M4F 编写线程代码。一切正常，我现在正在研究通过延迟堆叠使 FPU 上下文切换更高效。

我读过 ARM 的 AN298我实现了基于禁用 FPU 和处理 UsageFault 的替代方法，但较低的 ( S0-S15 ) 寄存器没有被硬件正确保存/恢复。我认为问题在于图11:



据此，当PendSV运行时FPCAR应该指向任务 A 的堆栈中保留的空间。但在我看来，因为 CONTROL.FPCA任务 C 高，FPCAR进入 PendSV 时将更新为指向任务 C 的堆栈。如果是这样，S0-S15和 FPSCR将被保存到任务 C 的堆栈而不是任务 A 的堆栈，这当然是不正确的。

我在这里遗漏了什么，还是 appnote 错了？

一个旁注，我检查了一些开源 RTOS。 FreeRTOS 和 mbed RTOS 始终堆叠 S16-S31在上下文切换期间，导致自动 S0-S15堆叠，即它们仅使用延迟堆叠来减少中断延迟，但对任务进行完整的状态保存(如 appnote 中概述的第一种方法)。 M4F 的 TNKernel 端口使用 UsageFault 方法，但完全保存/恢复 S0-S31通过软件，有效绕过 FPCAR 的任何问题(以 48 次加载/存储而不是 32 次为代价，16 个硬件在恢复时被覆盖)。似乎没有人在使用 UsageFault 方法的同时只保留 S16-S31 .

(顺便说一句，这也发布在 ARM Community ，但很多问题似乎在那里没有答案。如果我在那里得到答案，我也会在这里复制)

Answer 1

这花了一段时间，但最终我找到了如何尽可能有效地做到这一点。

首先，appnote 是错误的。我在途中的初步解释FPCAR更新是对的。请注意 FPCAR即使 FPU 被禁用也会更新。另外，通过测试，我确定 FPCAR确实总是指向中断的堆栈。

我的第一种方法是操纵 FPCAR , LSPACT和 EXC_RETURN ，以及 UsageFault 挂起的 PendSV。当然，要做到这一点，FPCAR 必不可少。从惰性堆叠的角度来看，操作不算作 FPU 操作。当文档缺乏时，我们只能从 CPU 中破解答案......

LDR  R2, =0xE000EF38
LDR  R3, =0xDEADBEEF
STR  R3, [R2]
VSTM R1, {S16-S31}
UDF

FPCAR在 0xE000EF38 . VSTM是上下文保存例程的一部分。这个想法是，如果FPCAR操作是 FPU 操作，延迟堆叠将停止 FPCAR存储并将成功，因为 FPCAR仍然有效。这将在 UDF 上出错.否则，会在 VSTM 上发生延迟堆叠。带有损坏的 FPCAR ，导致总线故障。

确实，我遇到了总线故障。好极了!我用一个有效的地址重复了测试:没有错误，工作完美。所以保存很简单。恢复需要挂起的 PendSV 和操作 FPCAR , LSPACT和 EXC_RETURN在它里面引起 S0-S15用于在异常返回时恢复当前线程。这里的问题是你不能在它的堆栈上保持当前线程的状态，因为它会被弹出。复制效率低下，所以最好的办法是指向 FPCAR到持久的 TCB 状态，而不是保存 CPU 生成的状态。

这变得非常复杂，它需要在 UsageFault 之后执行 PendSV，并且它有很多极端情况和竞争。有更好的方法。

我最终使用的方法完全在 UsageFault 内部运行并绕过硬件堆栈，而不会因此而降低效率。在启用 FPU 并确定需要 FPU 上下文切换后，我:

套装LSPACT归零；

保存/恢复完整 S0-S31向/从 TCB 的状态；

套装LSPACT回到一。

通过这样做，我可以处理整个 S0-S31没有延迟堆叠的状态，因为 CPU 认为它自 LSPACT 以来已经堆叠了上下文为零。这当然依赖于 UsageFault 处理程序不使用保存/恢复之外的 FPU 操作并且不被使用 FPU 的 ISR 抢占，鉴于它是手工编码的 ASM，并且故障处理程序不能被 ISR 抢占，这是非常微不足道的假设。我还尝试通过 ASPEN 禁用延迟堆叠/LSPEN而不是在 LSPACT 上工作，但它似乎不起作用(它仍然会触发延迟堆叠，通过设置无效的 FPCAR 进行验证)。

在效率方面，这与硬件堆叠一样高效。如果我想挑剔，它可以节省一个周期，因为我不需要写回递增的指针。

顺便说一句，即使我最终没有使用它，我也包含了第一种方法，因为我认为它有一些有用的信息，如果其他人来寻找这个。