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线程：操作系统调度CPU的最小单位一个进程可以有多个线程，共享进程资源，每个线程有独立的执行流、独立栈、独立寄存器上下文。

进程：拥有独立的地址空间，全局变量、堆。开销大。

工程中一个tcb线程控制块即一个任务，线程的详细数据结构：

typedef struct tcb { //sp 放第一个 = 汇编永远用 [r1] 零偏移 void *sp; /* 当前栈指针 (切换时存/取) */ void *entry; /* 线程入口函数 */ void *parameter; /* 入口函数参数 */ void *stack_addr; /* 栈起始地址 (低地址) */ uint32_t stack_size; /* 栈大小 (字节) */ uint8_t priority; /* 优先级: 0 最高, 越大越低 */ uint8_t base_priority; /* 基础优先级 = 创建时的静态优先级 (PI 只临时改 priority, 不动它) */ uint8_t state; //线程状态 const char *name; /* 线程名 (栈检查报警 / 将来 ps 命令用) */ list_t list; /* 链表节点: 同一时刻只在 就绪队列 或 睡眠队列 之一 */ uint32_t wake_tick;/* 唤醒时刻 (绝对 tick, 替代旧 remaining_ticks) */ list_t tick_node; /* 定时器链表节点 (独立于 list, 阻塞时同时挂两条队) */ list_t all_node; /* 全局线程链表节点: 栈检查 / ps 遍历所有线程 */ list_t taken_list; /* 持有锁链表: 挂各 mutex_t.taken_node (PI 重算时遍历) */ uint8_t timeout; /* 本次唤醒是否因超时: 1=超时, 0=正常唤醒 */ int block_result; /* 阻塞 API 返回值: 0=成功, -ETIMEDOUT=超时 */ uint8_t dynamic; /* 1=TCB+栈堆分配 (idle 回收时可 free); 0=静态分配, 只摘链不释放 */ } tcb_t;

其中：

1. sp：当前栈指针，必须放第一个成员，方便在汇编中获取sp指针时不需要计算结构体偏移。
2. entry：线程的回调函数入口。
3. parameter：回调函数参数。
4. stack_addr：线程栈起始地址。
5. stack_size：线程栈大小。
6. priority：线程优先级大小，0最高。
7. base_priority：基础优先级，用于PI处理。
8. state：线程状态。
9. name：线程名。
10. list：链表节点。
11. wake_tick：唤醒时间。
12. tick_node：定时器链表。
13. all_node：全局链表节点。
14. taken_list：持锁链表。
15. timeout：超时唤醒标志。
16. block_result：阻塞的API返回值
17. dynamic：动态创建线程的标志

线程状态如下：

typedef enum { THREAD_INIT = 0, /* 已创建, 未 thread_start (不在任何队列) */ THREAD_READY, /* 在就绪队列 */ THREAD_BLOCKED, /* 阻塞: 在某 IPC 等待队列 (sem/mutex/mq) */ THREAD_SLEEP, /* 睡眠: 在睡眠队列 */ THREAD_SUSPENDED, /* 被挂起: 在挂起队列 (被 thread_suspend) */ THREAD_DEFUNCT, /* 僵尸: 已退出, 在 g_defunct_list 等 idle 回收 TCB/栈*/ } thread_state_t;

THREAD_INIT：初始化状态，TCB与线程栈已经创建完毕，但是没有调用thread_start()，该状态下不会在任何队列，调度器目前看不到这个线程。

THREAD_READY：就绪状态，执行thread_start()后将该线程添加到就绪队列，随时可以被调度器调度到CPU执行，也可以通过其他方式进入就绪状态，比如唤醒、定时器超时等。

THREAD_BLOCKED：阻塞状态，线程主动等待某个IPC资源，比如信号量、互斥锁、消息队列等唤醒后转为READY状态，加入就绪队列。

THREAD_SLEEP：睡眠状态，线程主动休息一段时间，等待时间到了才可以继续运行，时间到转为就绪队列。

THREAD_SUSPENDED：挂起状态，内核调用thread_suspend()挂起，不参与调度，通过thread_resume()才能唤醒。

THREAD_DEFUNCT：僵尸状态，线程函数已经执行完毕，已经退出，不再运行，但是TCB任务块以及线程栈还不能立即释放，放到僵尸链表，由idle线程统一回收。

状态机如下图所示：

伪造栈帧的本质：新线程从没运行过，没有“被打断的现场”可保存，但PendSV不区分首次与后续切换，只是机械地从sp取16个寄存器恢复，伪造栈帧就是造一套假的寄存器快照放在栈里，让PendSV第一次恢复无法分辨真假，新线程就像“被打断过一样”自然执行。

伪造栈帧需要填充寄存器，Cortex-M内核存在16个寄存器R0-R15、xPSR，具体功能如下表：

注：xPSR是状态寄存器，硬件中断时一起压入栈帧，伪造栈帧必须置Thumb位

R0-R3、R12、LR、PC、xPSR由硬件自动压栈，R4-R11由PendSV手动压栈。SP不会压入栈。上下文切换的核心就是把当前SP存放到tcb->sp，切换时候再从tcb->sp取出。

SP指针分为MSP与PSP：

1. MSP：主栈指针，复位默认使用，中断服务函数默认使用MSP。
2. PSP：进程栈指针，一般用于任务线程栈。

LR链接寄存器：正常调用函数bl func相当于LR=下一条指令地址，函数return跳LR，进入异常时，硬件自动保存一个特殊的EXC_RETURN值到LR，用于异常返回。

PC程序计数器：PC保存当前正在取指的指令地址，CPU没取一条指令PC自动加1.

上下文切换逻辑：

1. 进入PendSV异常，硬件自动压栈R0 R1 R2 R3 LR PC xPSR
2. PendSV汇编手动压栈R4-R11
3. 将SP存入tcb->sp
4. 调度器选择新的tcb任务，取出新tcb的sp
5. PendSV弹出R4-R11
6. 异常返回，硬件自动弹出R0 R1 R2 R3 LR PC xPSR跳转，线程恢复运行

压栈完成如下所示：

高地址 (栈底)
xPSR = 0x01000000 ┐
pc = entry │
lr = thread_exit │
r12 = 0 │ 硬件异常栈帧
r3 = 0 │ (8 个, bx lr 时硬件自动弹)
r2 = 0 │
r1 = 0 │
r0 = parameter ┘
─────────────────────
r11 = 0xdeadbeef ┐
r10 = 0xdeadbeef │
r9 = 0xdeadbeef │ 软件保存区
r8 = 0xdeadbeef │ (8 个, PendSV 用 ldmia 弹)
r7 = 0xdeadbeef │
r6 = 0xdeadbeef │
r5 = 0xdeadbeef │
r4 = 0xdeadbeef ┘
低地址 (栈顶)
↑ TCB.sp 指向这里 (指向 r4 的位置)

栈向下生长，栈的上面是高地址下面是低地址，硬件压栈在高地址，软件压栈在低地址。

压栈：硬件自动压栈顺序为xPSR -> PC -> LR -> R12 -> R3 -> R2 -> R1 -> R0

软件压栈顺序为 R11 -> R10 -> R9 -> R8 -> R7 -> R6 -> R5 -> R4

出栈：软件先弹，顺序为 R4 -> R5 -> R6 -> R7 -> R8 -> R9 -> R10 -> R11。SP随之到R0位置

硬件在出弹，顺序为 R0 -> R1 -> R2 -> R3 -> R12 -> LR -> PC -> xPSR。PC被填成entry任务从入口开始跑。

伪造栈帧过程如下：

（1）首先填充整个栈为0xDE

（2）计算栈顶，并设置八字节对齐，这里通过& ~7UL设置对齐，通过&低三位0让其向下对齐到八字节，如下

stk = (uint32_t *)((uint32_t)stack_top & ~7UL);

（3）R0填充回调函数的参数，R1-R3、R12设置为0，LR填充退出回调函数，PC填充需要执行的回调函数，Thumb置1，如下：

frame->exception.r0 = (uint32_t)parameter; /* entry 的第一个参数 */ frame->exception.r1 = 0; frame->exception.r2 = 0; frame->exception.r3 = 0; frame->exception.r12 = 0; frame->exception.lr = (uint32_t)exit; /* entry return 后跳这里 */ frame->exception.pc = (uint32_t)entry; /* 启动时跳到这里 */ frame->exception.psr = 0x01000000UL; /* Thumb 位 = 1, 必须 */

对tcb线程控制块的变量进行初始化后，线程初始化完成。

上下文切换是由PendSV触发的，PendSV具体实现代码如下：

（1）获取PSP指针

mrs r0, psp

（2）获取当前正在执行的tcb的指针并获取里面内容

ldr r1, =g_current_tcb

ldr r1, [r1]

（3）将R4-R11压栈

stmdb r0!, {r4-r11}

（4）将正在运行任务的tcb指针保存到tcb->sp中

str r0, [r1]

（5）取下一个任务的tcb

ldr r1, =g_next_tcb
ldr r1, [r1]
ldr r0, [r1]

（6）将当前任务的指针指向下一个任务

ldr r2, =g_current_tcb
str r1, [r2]

（7）弹出R4-R11

ldmia r0!, {r4-r11}

（8）设置新的任务栈地址，切换栈帧

msr psp, r0

（9）EXC_RETURN 触发硬件出栈，弹出硬件自动压栈寄存器，返回线程模式

• 0xFFFFFFFD：返回线程模式，使用 PSP
• 0xFFFFFFF9：返回线程模式，使用 MSP
• 0xFFFFFFF1：返回异常模式

ldr lr, =EXC_RETURN_PSP
bx lr