RT-Thread启动进入就绪态最高优先级线程的全过程与栈帧分析（上）

本文简单讨论RT-Thread在启动后，逐步进入到处于就绪态最高优先级main线程的全过程。部分内容涉及到汇编指令，但通俗易懂。通过简化工程，配合Debug过程，逐步观察寄存器的变化、绘制栈帧结构、绘制线程控制块和rt_interrupt_from_thread、rt_interrupt_to_thread等典型变量取值（指向，虽然是rt_uint32_t类型，但实际在汇编中是作为指针使用），能有效帮助理解RTOS的线程栈的恢复与启动过程。

通过本文对线程启动过程的了解，对于两个线程/多个线程之间的互相切换能奠定坚实的基础，化繁为简，结合论坛关于上下文切换的代码注释，能帮助快速抓住主线。

使用的软硬件环境如下：

IDE工具 - RT-Thread Studio 2.2.6
硬件 - STM32L431RCT6，Cortex M4内核
软件 - RT-Thread 4.0.5版本
配置 - 仅使能main线程和tidle0线程

一、工程设置

Step 1. 新建名称为EVBMX_RTThread405_Switch的4.0.5版本工程

Step 2. 不使能软件定时器，使能线程状态更改的调试

关闭软件定时器线程，避免干扰。

Step 3. 关闭msh shell，禁用Finsh

关闭tshell线程，避免干扰。仅仅保留main线程和tidle0线程。

Step 4. 修改main函数

修改main函数后，线程进入一次，休眠且切换1次，再次切回且return，然后彻底退出，只留下tidle0线程。

#include
#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include
int main(void)
{
rt_thread_mdelay(1000);
return RT_EOK;
}

Step 5. 下载程序，观察输出结果

读完全文后，对下方输出结果的每一行语句所代表的含义和发生时刻，能有更深刻体会。

二、调试运行

Step 6. 在component.c中257行按F9设置断点；F5全速运行到此处后，再按F9关闭此处断点。

Step 7. 依次进入rt_thread_create, _thread_init, 停留在thread.c的164行。

将变量thread添加到表达式窗口，可以查看各个成员的值，其中，thread->stack_addr = 0x20001138, thread->stack_size = 0x800，分别表示栈底位置和栈空间大小。

164行的函数rt_hw_stack_init对于理解线程切换是一个相当重要的函数，其形参分别为：

线程入口函数：main_thread_entry

线程参数RT_NULL：

线程栈栈顶地址：thread->stack_addr + thread->stack_size - 4 = 0x20001138 + 0x800 - 4 = 0x20001934

Step 8. 单步进入到rt_hw_stack_init函数内部，开展分析

149行，由于传递进来的stack_addr = 0x20001934，执行完毕后，stk为0x20001938。从0x20001138（含）到0x20001934（含），合计是0x800 = 2048字节。STM32使用的满递减栈，所以此处的stk是0x20001938。

150行，此处设置8字节对齐。由于0x20001938 = (536877368)Decimal，该数据除8等于67109671，能被8整除，该语句执行栈对齐操作后，stk依然为0x20001938。

Step 9. 继续了解rt_hw_stack_init函数。

151行，更新stk的值，减去struct stack_frame结构体的大小。执行完毕后，stk = 0x200018F4。
153行，stack_frame指针指向0x200018F4。
156至159行，通过for循环将0x200018F4至0x20001938的所有内存变成0xdeadbeaf魔法字。
161行至168行，将stack_frame成员的exception_stack_frame中的r0~psr共8个寄存器分别设置为：线程参数，4个0，线程返回地址，线程入口地址，0x01000000。
175行，返回stk的值，此时变成0x200018F4。这个值在初始化线程时，将返回给thread->sp，即线程栈的临时栈顶指针。
依次将线程的形参、r1-r3, r12, 线程返回地址、线程入口地址，线程的xPSR写入异常栈帧结构中。
在初入门时，这里是难点。C语言中使用结构体定义的栈结构，如何和实际寄存器的顺序进行一一对应？，后文会通过逐步Debug揭示这个问题答案。

至此，main线程创建完毕后，线程结构体和线程栈空间如下所示。

Step 10. 继续单步到rt_system_scheduler_start函数处，并单独跟踪进入到该函数内部。

期间，RT-Thread会调用rt_thread_idle_init函数，在该函数中使用静态创建方式初始化tidle0线程。可以按照上述过程记录tidle0线程的栈空间。