コンテキスト
タスクの切り替えをする際, その時のCPUの状態を保存する必要があります. このCPUの状態をコンテキストと呼びます. あるタスクから離れるときはコンテキストの保存を行い, あるタスクに復帰するときはコンテキストの復帰を行います.
ここでは, コンテキストに関する詳しい説明とコンテキストの保存と復帰の方法について説明します.
コンテキストとは
コンテキストとは, 今現在のCPUの状態を意味します. CPUの状態には, プログラムカウンタ, スタックポインタ, 汎用レジスタの内容が含まれます. また今回使用するAVRマイコンではこのほかにステータスレジスタ(SREG)があります.
CPUを取り巻く全体像は次のようになっています.
プログラムカウンタは現在実行中のプログラムコードの番地を保存しています. プログラマーがプログラムしたコードはこのプログラムコード領域に書き込まれ, 上から順番に実行しています. 一つの命令を終えるとプログラムカウンタが持つメモリ番地が一つ進みます.
スタックポインタとは, スタックの先頭アドレス(スタックの一番上のアドレス)を保持します. 命令実行部はこのスタックポインタを参照してスタックから要素を取り出す, 積むといった操作を行います.
汎用レジスタとは, データを一時的に保存しておく領域です. RAMからの読み書き速度と比べて, レジスタの読み書き速度は高速です. 汎用レジスタの使われ方ですが, RAM上のデータを汎用レジスタ上に持ってきて, レジスタ上でデータの処理を行いIOポート, RAMに処理後のデータ書き込むといった方法がよくとられます. CPUの作業台のようなものです.
ステータスレジスタとは, 演算装置(ALU)―CPUで算術計算が行われるところ―の計算結果の情報を含んでいます. 計算過程の繰り上がり情報, マイナスかどうかの情報などが含まれます.
コンテキストの保存
コンテキストは次の情報を含んでいます.
- プログラムカウンタ
- スタックポインタ
- 汎用レジスタ
- ステータスレジスタ
この中で, 実際に我々が保存するのは次の三つです.
- スタックポインタ
- 汎用レジスタ
- ステータスレジスタ
プログラムカウンタの値を保存しない理由は, この値はすでにスタック上に保存されているからです. このことについては, 後の手動によるタスク切り替え方法で詳しく述べます.
コンテキストを保存するコードは以下のようになります.
// 汎用レジスタの保存, スタックポインタをTCBに保存
//
// まずやることはフラグの保存(ステータスレジスタの保存)そのあと割り込み停止である.
//
// Macro to save all the general purpose registers, the save the stack pointer into the TCB.
//
// The first thing we do is save the flags then disable interrupts.
// This is to guard our stack against having a contex switch interrupt after we have already
// pushed the resisters onto the stack - causing the 32 registers to be on the stack twice.
//
// r1 is set to zero as the compiler expects it to be thus,
// however some of the math routines make use of r1.
//
// The interupts will have been disabled during the call to PortSaveContext()
// so we need not worry about reading/writing to the stack pointer.
//
// *** Memo ***************************************************
// x: Xレジスタ(R26 : R27)
// R26: Xレジスタ下位バイト
// R27: Xレジスタ上位バイト
// R28: Yレジスタ下位バイト
// R29: Yレジスタ上位バイト
// R30: Zレジスタ下位バイト
// R31: Zレジスタ上位バイト
// SP_H: スタックポインタ上位バイト(0x3e)
// SP_L: スタックポインタ下位バイト(0x3d)
// SREG: ステータスレジスタ
// ************************************************************
inline void PortSaveContext(void);
inline void PortSaveContext(void)
{
asm volatile(
"push r0 \n\t"
"in r0, __SREG__ \n\t"
"cli \n\t"
"push r0 \n\t"
);
#if defined(__AVR_HAVE_RAMPZ__)
// have RAMPZ Extended Z-pointer Register for ELPM/SPM
// the uC have extend program memory
// 0x3b --> RAMPZ
// 0x3c --> EIND
//
// RAMPZレジスタ, EINDレジスタを持つCPUには, これらレジスタの値も保存する.
//
// memo:
// AVRマイコンでは, 年々メモリの容量が増加しており, アドレス16ビットではメモリすべてのアドレス
// を示すことができなくなってきた. このような問題に対処するため,
// Zレジスタを拡張するRAMPZ, EINDレジスタが導入された.
asm volatile(
"in r0, 0x3b \n\t"
"push r0 \n\t"
"in r0, 0x3c \n\t"
"push r0 \n\t"
);
#endif
asm volatile(
"push r1 \n\t"
"clr r1 \n\t"
"push r2 \n\t"
"push r3 \n\t"
"push r4 \n\t"
"push r5 \n\t"
"push r6 \n\t"
"push r7 \n\t"
"push r8 \n\t"
"push r9 \n\t"
"push r10 \n\t"
"push r11 \n\t"
"push r12 \n\t"
"push r13 \n\t"
"push r14 \n\t"
"push r15 \n\t"
"push r16 \n\t"
"push r17 \n\t"
"push r18 \n\t"
"push r19 \n\t"
"push r20 \n\t"
"push r21 \n\t"
"push r22 \n\t"
"push r23 \n\t"
"push r24 \n\t"
"push r25 \n\t"
"push r26 \n\t"
"push r27 \n\t"
"push r28 \n\t"
"push r29 \n\t"
"push r30 \n\t"
"push r31 \n\t"
"lds r26, currentTCB \n\t"
"lds r27, currentTCB + 1 \n\t"
"in r0, 0x3d \n\t"
"st x+, r0 \n\t"
"in r0, 0x3e \n\t"
"st x+, r0 \n\t"
);
}
流れとしては次のようになっています.
- R0(レジスタ0)をスタックに保存(以下から保存はスタックへの保存)
- ステータスレジスタを保存
- 割り込み停止
- RAMPZ, EINDレジスタを持つCPUのみこれらを保存
- R1からR31まで順に保存
- スタックポインタの値をcurrentTCBのメンバー変数topOfStackに保存
currentTCBがさすアドレスはtopOfStackのアドレスです. というのも, TCBの上部にtopOfStackを持ってきていたからです. (topOfStackをTCBの上部に持ってきていた理由はこのためです.)
コード上にアセンブラが出ましたので補足します.
| 命令コード | オペランド | 説明 | 命令 |
|---|---|---|---|
| PUSH | Rr | レジスタの値をスタックへ保存 | STACK←Rr |
| POP | Rd | レジスタの値をスタックから取り出す | Rd←STACK |
| IN | Rd, A | IO領域からレジスタへ入力 | Rd←I/O(A) |
| OUT | A, Rr | IO領域へ出力 | I/O(A)←Rr |
| CLI | 全割り込み停止 | I←0 | |
| CLR | Rd | レジスタ消去 | Rd←Rd xor Rd |
| LDS | Rd, k | 直接アドレス指定でSRAMからレジスタへロード | Rd←(k) |
| ST | X+, Rr | 間接アドレス指定で保存, 後置インクリメント | (X)←Rr, X←X + 1 |
| LD | Rd, X+ | 間接アドレス指定でロード, 後置インクリメント | Rd←(X), X←X + 1 |
コンテキストの復帰
それでは, コンテキストの復帰を行います. コンテキストの保存と逆の手順でスタックから読み出すことで復帰できます. 手順は次のようになります.
- スタックポインタの値をcurrentTCBのメンバー変数topOfStackから読み出し設定
- R31からR1の順でスタックから取り出し(以下取り出しはスタックからの取り出し)設定
- EIND, RAMPZレジスタを持つCPUのみこれらを取り出し設定
- ステータスレジスタを取り出し設定
- R0を取り出し設定
コンテキスト復帰のコードは以下のようになります.
// PortSaveContext()と逆のことをする.
// 割り込みはPortSaveContext()で停止済み.
//
// Opposite to PortSaveContext().
// Interrupts will have been disabled during the context save so we can write to the stack pointer.
inline void PortRestoreContext(void);
inline void PortRestoreContext(void)
{
asm volatile(
"lds r26, currentTCB \n\t"
"lds r27, currentTCB + 1 \n\t"
"ld r28, x+ \n\t"
"out __SP_L__, r28 \n\t"
"ld r29, x+ \n\t"
"out __SP_H__, r29 \n\t"
"pop r31 \n\t"
"pop r30 \n\t"
"pop r29 \n\t"
"pop r28 \n\t"
"pop r27 \n\t"
"pop r26 \n\t"
"pop r25 \n\t"
"pop r24 \n\t"
"pop r23 \n\t"
"pop r22 \n\t"
"pop r21 \n\t"
"pop r20 \n\t"
"pop r19 \n\t"
"pop r18 \n\t"
"pop r17 \n\t"
"pop r16 \n\t"
"pop r15 \n\t"
"pop r14 \n\t"
"pop r13 \n\t"
"pop r12 \n\t"
"pop r11 \n\t"
"pop r10 \n\t"
"pop r9 \n\t"
"pop r8 \n\t"
"pop r7 \n\t"
"pop r6 \n\t"
"pop r5 \n\t"
"pop r4 \n\t"
"pop r3 \n\t"
"pop r2 \n\t"
"pop r1 \n\t"
"pop r0 \n\t"
);
#if defined(__AVR_HAVE_RAMPZ__)
// have RAMPZ Extended Z-pointer Register for ELPM/SPM
// the uC have extend program memory
// 0x3b --> RAMPZ
// 0x3c --> EIND
asm volatile(
"out 0x3c, r0 \n\t"
"pop r0 \n\t"
"out 0x3b, r0 \n\t"
"pop r0 \n\t"
);
#endif
asm volatile(
"out __SREG__, r0 \n\t"
"pop r0 \n\t"
);
}