Arm Cortex R52与TC3xx Aurix上下文切换对比

[1.Arm Cortex R52上下文切换](#1.Arm Cortex R52上下文切换)

2.英飞凌TC3xx的CPU上下午切换

[2.1 上下文类型](#2.1 上下文类型)

[2.2 Task Switching Operation](#2.2 Task Switching Operation)

[2.3 Context管理寄存器](#2.3 Context管理寄存器)

[2.4 各种事件的上下文切换](#2.4 各种事件的上下文切换)

[2.4.1 中断/Trap的上下文切换](#2.4.1 中断/Trap的上下文切换)

[2.4.2 函数调用的上下文切换](#2.4.2 函数调用的上下文切换)

[2.4.3 FCALL/FRET的上下文切换](#2.4.3 FCALL/FRET的上下文切换)

[2.5 Context Save、Restore操作](#2.5 Context Save、Restore操作)

[2.6 Context 切换性能特性](#2.6 Context 切换性能特性)

1.Arm Cortex R52上下文切换

R52采用Armv8-r 架构，因此根据Arm® Architecture Reference Manual Supplement Armv8：

发生异常

PE(Process element)将状态上下文保存到SP寄存器指向的堆栈。

保存的上下文状态如下：

RETPSR：Combined Exception Return Program Status Registers

ReturnAddress.

LR(R14)：Link Register

R12(General-Purpose Register)

R3-R0.

Task上下文切换

按照发生异常时硬件存储的内容，使用汇编代码来实现；

2.英飞凌TC3xx的CPU上下午切换

在嵌入式实时控制系统中，任务是一个独立的控制线程。任务的状态由其上下文定义。当一个任务被中断时，处理器使用该任务的上下文重新启用该任务的继续执行。

2.1 上下文类型

上下文类型可以分为：

Upper Context：

upper地址寄存器A[10]--A[15]；

upper数据寄存器 D[8]--D[15];

PCXI

PSW

Lower Contex：

Lower 地址寄存器A[2]--A[7]

Lower 数据寄存器D[0]--D[7]

A[11] Return Address

PCXI

上下文存放在内存中，占16word，被称为Context Save Areas，举例如下：

CSA使用的是固定大小的链表，通过LinkWord进行连接，从上图可以看到，LinkWord和PCXI的布局都在同一位置，而LinkWrod结构如下图所示：

根据芯片手册上PCXI的描述

可以看到LW只关注Segment和Offset，PCXI不仅关注上述内容，还要关注Context Tag、PIE和PCPN。

LW只关注Segment和Offset的原因是用于生成链接CSA的有效地址，生成方式如下：

2.2 Task Switching Operation

从上表可以看到，上述7种事件或指令触发时，upper/lower context会被保存或恢复；其中当外部中断、trap或函数调用时，upper context会自动保存；lower context通过软件指令保存。

SAVE操作是通过从LW中读取FCX的下一个值，存储在FCX(Free CSA List Head Pointer)寄存器中;

STORE操作是通过指令的有效地址来进行存储，不需要对CSA list或者FCX寄存器进行更改。

Restore是save的反向操作；load是store的反向操作。

需要注意的是upper和lower contexts在寄存器内容保持的角度上有较大差别。

Upper cotext 寄存器不能保证是静态硬件寄存器，例如函数调用、中断总是从私有的upper context 寄存器开始运行，并且不被继承。

Lower context 寄存器与全局寄存器类似；trap、interrupt、function里看到的值与调用前的寄存器值一样；在上述3个事件里对寄存器值的任何操作会在事件返回后仍然存在。所以可以使用 lower context向调用函数传递参数，并从这些函数里返回值。

2.3 Context管理寄存器

Context save和restore寄存器是context 管理寄存器的指针，如下：

FCX(Free CSA List Head Pointer)

用于保存free CSA list 头指针，它总是指向一个可用的CSA，结构如下：

FCXO和FCXS一起使用，指向下一个可用的CSA.

PCX(Previous Context Pointer)

PCX保存了上一个任务的CSA的地址。PCX是PCXI寄存器的一部分。

LCX(Free CSA List Limit Pointer)

用于识别即将到来的free CSA list损耗。如果发生一个context save操作，并且FCX和LCX的值匹配，则自动识别条件"free context depletion"，完成context保存操作后立即触发FDC trap。LCX结构如下：

2.4 各种事件的上下文切换

2.4.1 中断/Trap的上下文切换

发生上述事件时，处理器首先保存当前任务的upper context到内存中，挂起当前任务，并开始执行中断或者trap。

2.4.2 函数调用的上下文切换

发生此类事件时，必须保存 calling routine的上下文并restore，以便在函数返回后恢复调用方的继续执行。整个硬件来保存upper上下文。此外，可以直接使用指令CALL来进行upper context保存并且调用跳转，RET指令恢复上下文，返回跳转。

2.4.3 FCALL/FRET的上下文切换

在不需要保存和恢复的upper context寄存器的情况下，可以优先使用FCALL指令。该指令执行跳转，并且并行地将当前返回地址A11保存到堆栈中，不保存其他状态

2.5 Context Save、Restore操作

下图展示free 和 previous context 链表如何进行save操作。

上图可以看到FCX指向的是FreeContextList，分别是CSA3-4-5，PCX链表为PCX-CSA2-1。

当发生CSA操作时，FreeContextList的第一个CSA会被拉出放置到previous context list首端。

具体操作如下：

1.CSA3中链接字的内容被加载到NEW_FCX中。NEW_FCX现在指向CSA4。NEW_FX是内部缓冲区，用户无法访问。

2.PCX的内容被写入CSA3的链接字。CSA3链接字现在指向CSA2。

3.FCX的内容写入PCX。PCX现在指向CSA3，它位于先前上下文列表的前面。

4.NEW_FCX加载到FCX中

RESTORE操作为反向操作：

CSA3拉出来存取NEW_PCX，Linkto2给NEW_PCX，FCX中linkto4给CSA3的LW，PCX内容赋给FCX，FCX指向CSA3，NEW_PCX存取PCX。

2.6 Context 切换性能特性

Tricore对函数调用、trap、中断使用统一的上下文切换方式。在所有情况下，任务的Upper context都由硬件自动保存或恢复；对lower context的保存和恢复可由软件实现。上下文存储的位置有不同的性能表现。

CSA存放在DSPR或从DSPR恢复，花费4个cycle；

CSA存放在DLMU或从DLMU恢复，花费8个cycle；

CSA存放在cached 外部内存，最好的情况花费8个cycle。

下表为 CSA控制流指令耗时

实际时间需要根据时钟频率来估算，

例如时钟频率为100MHz，CSA存放在DSPR，产生中断时CSA保存耗费时间为4cycle*1/100000000 = 40ns，restore耗费时间为4cycle*1/100000000 = 40ns，总计80ns。