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SVCrtOS

SVCrtOS 是一个面向 ARM Cortex-M 系列微控制器的安全实时操作系统（RTOS），采用 SVC（Supervisor Call）实现特权级隔离，利用 MPU 进行内存保护，支持多任务分区调度和统一设备驱动框架。

核心特性

  • SVC 特权隔离：用户任务通过 SVC 系统调用进入内核态，内核态代码受硬件保护，用户任务无法直接访问
  • MPU 内存保护：利用 Cortex-M MPU 实现任务间 ROM/RAM 空间隔离，防止越界访问
  • 优先级 + 时间片调度：支持多优先级抢占和同优先级时间片轮转
  • 事件驱动机制：轻量级事件同步原语，支持超时等待
  • 信号量与互斥锁：计数信号量 + 带优先级继承的互斥锁，防止优先级反转
  • 设备驱动框架：统一设备 I/O 接口（open/close/read/write/ctrl），支持内置驱动
  • 独立驱动固件：驱动可编译为完全独立的固件烧录到专属 ROM 分区，与内核解耦，支持独立升级；App 仅凭设备名即可访问，无需知道驱动实现或地址
  • FIFO 缓冲区：环形缓冲区，用于内核和驱动间的数据传输
  • 栈溢出检测：通过 PSP 越界检测任务栈溢出
  • CPU 负载统计：实时统计 CPU 空闲率
  • FPU 支持：Cortex-M4F/M7 浮点寄存器（S16-S31）按需自动保存/恢复
  • 双 SDK 架构：独立的应用 SDK 和驱动 SDK，支持编译为独立分区固件
  • 内核与芯片解耦：采用 RT-Thread 类似的分层架构，内核零芯片依赖，移植只需修改 board/ 目录

支持 CPU 架构

架构 FPU MPU 备注
Cortex-M3 - - 最小配置
Cortex-M4 有 有 推荐使用
Cortex-M7 有 有 高性能

目录结构

SVCRTOS/
├── kernelsrc/                      # ★ 内核源码（零芯片依赖）
│   ├── include/                    # 内核头文件
│   │   ├── svcrt.h                 # 应用 API
│   │   ├── svcrt_config.h          # 集中配置（可被板级配置覆盖）
│   │   ├── svcrt_port.h            # 硬件抽象接口（纯声明，无芯片依赖）
│   │   ├── svcrt_types.h           # 基础类型定义
│   │   └── ...                     # 其他内核内部头文件
│   ├── src/                        # 内核源文件（纯C，无硬件操作）
│   │   ├── svcrt_init.c            # 内核启动与初始化
│   │   ├── svcrt_task.c            # 任务调度 + SVC 分发
│   │   ├── svcrt_event.c           # 事件管理
│   │   ├── svcrt_fifo.c            # FIFO 环形缓冲区
│   │   ├── svcrt_dev.c             # 设备驱动框架
│   │   └── svcrt_cfg.c             # 任务配置加载
│   ├── app/                        # 应用模板
│   ├── sdk/                        # SDK 开发包
│   │   ├── app_sdk/                # App SDK
│   │   └── driver_sdk/             # Driver SDK
│   └── components/                 # 可选组件
│
├── board/                          # ★ 板级移植层（芯片相关）
│   └── stm32f427/                  # STM32F427 移植示例
│       ├── svcrt_board.c           # 移植接口 + 中断入口 + 板载设备注册
│       ├── svcrt_board_config.h    # 板级配置覆盖（主频、内存地址等）
│       ├── drvuart.c/h             # UART 驱动（HAL库）
│       └── drvled.c/h              # LED 驱动（HAL库）
│
├── kernelsrc/port/arm/cortex-m4/   # ★ CPU 架构移植层（上下文切换/启动）
│   ├── svcrt_context.S             # PendSV 上下文切换汇编（含 FPU 寄存器）
│   └── svcrt_port.c                # 任务栈帧初始化（含 EXC_RETURN）
│
└── example/                        # 工程示例
    └── stm32f427/                  # MDK 工程

架构解耦原则：

  • kernelsrc/ = 纯内核，不包含任何芯片头文件，不直接操作任何硬件寄存器
  • board/ = 芯片相关，移植到新芯片只需创建新的 board/<芯片>/ 目录
  • svcrt_port.h = 内核与硬件的唯一耦合点，纯函数声明

系统架构

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  用户层 (Unprivileged)                                │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐               │
│  │  App Task1   │  │  App Task2   │  │  App TaskN   │               │
│  │  (svcrt.h)   │  │  (svcrt.h)   │  │  (svcrt.h)   │               │
│  └──────┬───────┘  └──────┬───────┘  └──────┬───────┘               │
│         │  SVC 0x10~0x13  │                 │                        │
├─────────┼─────────────────┼─────────────────┼────────────────────────┤
│         └─────────────────┼─────────────────┘                        │
│           内核 kernelsrc/ (零芯片依赖)                                 │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐  ┌──────────────┐               │
│  │  任务调度    │  │  事件管理    │  │  设备框架    │               │
│  └──────────────┘  └──────────────┘  └──────────────┘               │
│  ┌──────────────┐  ┌──────────────┘                                  │
│  │  FIFO 缓冲   │  │  配置加载   │                                   │
│  └──────────────┘  └──────────────┘                                  │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│        svcrt_port.h (硬件抽象接口，纯声明)                             │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│        board/<芯片>/ (板级移植层)                                      │
│   svcrt_board.c / svcrt_mpu.c / 驱动 / 中断入口                      │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

应用 API

用户程序包含 svcrt.h 即可使用所有操作系统接口，所有调用通过 SVC 指令陷入内核态执行。

任务管理

API 说明
svcrt_task_wait(ms) 等待指定毫秒（阻塞调度）
svcrt_task_wait_period() 等待当前周期结束
svcrt_task_delay(us) 微秒级忙等延时
svcrt_task_kill() 终止当前任务

设备操作

API 说明
svcrt_dev_open(name, param) 打开设备，返回句柄
svcrt_dev_close(handle) 关闭设备，释放句柄
svcrt_dev_read(handle, buf, len) 从设备读取数据
svcrt_dev_write(handle, buf, len) 向设备写入数据
svcrt_dev_ctrl(handle, code, value) 设备控制命令

事件与系统信息

API 说明
svcrt_event_create(name) 创建命名事件
svcrt_event_wait(handle, timeout) 等待事件（可超时）
svcrt_event_set(handle) 触发事件
svcrt_get_time_ms() 获取系统运行时间（ms）
svcrt_get_cpu_usage() 获取 CPU 空闲率

信号量与互斥锁

API 说明
svcrt_sem_create(name, init) 创建计数信号量
svcrt_sem_wait(handle, timeout) 等待信号量（计数减一/挂起）
svcrt_sem_post(handle) 释放信号量（唤醒等待者/计数加一）
svcrt_sem_delete(handle) 删除信号量
svcrt_mutex_create(name) 创建互斥锁
svcrt_mutex_lock(handle, timeout) 加锁（支持优先级继承）
svcrt_mutex_unlock(handle) 解锁（仅持有者可解锁）
svcrt_mutex_delete(handle) 删除互斥锁

驱动开发接口

SVCrtOS 的驱动有两种部署形态，核心亮点是「独立驱动」——驱动可以编译为完全独立的固件，与内核解耦、独立烧录、独立升级：

形态 编译方式 部署 适用场景
内置驱动 随内核一起编译 与内核同一固件 板载固定外设
独立驱动 单独编译为 .bin/.hex 烧录到专属 ROM 分区 可热插拔/独立升级的驱动

独立驱动（External Driver）

独立驱动是一个自带启动代码、自带分散加载脚本、独立编译链接的固件，烧录到内核之外的专属 ROM/RAM 分区。内核把该分区入口注册为任务后调度运行，驱动在用户态执行，通过 SVC 0x14 向内核注册设备。注册后，任何 App（无论内置还是独立固件）都可以用设备名打开它，完全不需要知道驱动的实现或地址。

┌─────────────────────┐   ┌─────────────────────┐   ┌─────────────────────┐
│   内核固件           │   │  独立驱动固件 BLED   │   │  独立应用固件 BLED   │
│   (ROM 分区 0)       │   │  (ROM 分区 1)        │   │  (ROM 分区 2)        │
│                     │   │                     │   │                     │
│  任务调度/设备框架   │   │  DrvMain()          │   │  AppMain()          │
│         ▲           │   │   ├ 注册 "BLED"     │   │   ├ open("BLED")    │
│         │ SVC 0x14  │?──┼───┘ (svcrt_drv_     │   │   └ write(...)      │
│         │ 注册设备   │   │      register)      │   │         │           │
│         │           │   │                     │   │         │ SVC 0x10  │
│         └───────────┼───┼─────────────────────┼───┼─────────┘ 设备 IO   │
│      内核查表分发到驱动函数指针，三个固件互不依赖地址                      │
└─────────────────────┘   └─────────────────────┘   └─────────────────────┘

驱动开发者只需包含 svcrt_driver_sdk.h，实现 svcrt_dev_drv_t 接口，并在 DrvMain() 中注册：

#include "svcrt_driver_sdk.h"

/* 1. 实现 5 个标准设备接口 */
static svcrt_dev_drv_t bled_drv = {
    bled_drv_open,
    bled_drv_close,
    bled_drv_read,
    bled_drv_write,
    bled_drv_ctrl
};

/* 2. 独立固件入口：注册设备名后即可被任意 App 使用 */
void DrvMain(void)
{
    svcrt_drv_register("BLED", &bled_drv, 0);   /* SVC 0x14 注册到内核 */

    while(1)
    {
        svcrt_task_wait(1000);   /* 驱动可常驻做后台维护，也可注册后退出 */
    }
}

应用侧无需关心驱动是内置还是独立固件，统一用设备名访问：

int32 h = svcrt_dev_open("BLED", 0);   /* 内核查表，自动路由到独立驱动 */
int32 on = 1;
svcrt_dev_write(h, &on, 1);            /* 点亮蓝灯 */

独立驱动注意事项：

  1. 启动汇编必须经 C 库入口 __main 完成 .data 拷贝、.bss 清零，否则 bled_drv 函数指针表为随机值，注册后调用会 HardFault。
  2. 驱动固件、应用固件、内核固件的 ROM/RAM 分区地址必须互不重叠（由各自的分散加载脚本 .sct 约定）。
  3. 在 MPU 隔离环境下，独立驱动若需直接访问外设寄存器，需由内核授予对应外设区域权限。

完整可运行示例见 example/stm32f427/driver_sdk/BLED_DRV/（独立驱动）与 example/stm32f427/app_sdk/BLED_APP/（独立应用），端到端说明见 example/stm32f427/BLUE_LED_E2E_README.md。

内核配置参数

所有配置参数集中在 svcrt_config.h 中管理，芯片相关参数可通过板级配置文件覆盖。

参数名 默认值 说明
SVCRT_CPU_ARCH SVCRT_ARCH_CORTEX_M4 CPU 架构选择
SVCRT_USE_FPU 1 (M4/M7) 浮点单元使能
SVCRT_USE_MPU 1 (M4/M7) MPU 内存保护使能
SVCRT_USE_PRIV 1 (依赖MPU) 特权级分离使能
SVCRT_TASK_MAX_NUM 7 最大任务数量
SVCRT_TICK_PERIOD_US 500 滴答周期（微秒）
SVCRT_EVENT_NUM 10 事件对象数量
SVCRT_DEV_MAX_NUM 8 最大设备数量
SVCRT_USE_CPU_LOAD 1 CPU 负载统计开关
SVCRT_USE_STACK_CHECK 1 栈溢出检测开关
SVCRT_SHARE_MEM_ADDR 0x20028000 共享内存地址（板级配置覆盖）
SVCRT_SHARE_MEM_SIZE 0x8000 共享内存大小（板级配置覆盖）
SVCRT_SYSTEM_CLOCK_HZ 168000000 系统主频（板级配置覆盖）

快速移植

SVCrtOS 可移植到任何 ARM Cortex-M MCU，只需在 board/ 目录下创建新的芯片移植目录。

  1. 创建板级目录：board/<你的芯片>/
  2. 创建 svcrt_board_config.h：设置芯片的主频和内存地址
  3. 实现 svcrt_board.c：实现 svcrt_port.h 中的所有接口函数 + 中断入口 + MPU 操作（M3 可跳过）
  4. 移植上下文汇编：参考 kernelsrc/port/arm/cortex-m4/svcrt_context.S（不同内核版本需适配 FPU 处理）
  5. 编写板载驱动：UART、LED 等

关键：kernelsrc/ 目录无需任何修改！

详细移植步骤请参考 移植手册。

外部分区固件（用户态 App / Driver）

除了把任务直接编译进内核，SVCrtOS 还支持把应用和驱动编译为独立固件烧录到专属 ROM 分区，由内核调度运行，实现固件解耦与独立升级。

完整示例见 example/stm32f427/app_sdk/（应用）、example/stm32f427/driver_sdk/（驱动）以及蓝灯端到端示例 example/stm32f427/BLUE_LED_E2E_README.md。

集成要点（详见 SDK 用户手册 第三部分）：

  1. 内核侧将外部分区入口地址注册为任务（入口 = 分区基址 | 1）
  2. 外部固件启动汇编必须经 C 库入口 __main 完成 .data 拷贝、.bss 清零，否则驱动接口函数指针表为随机值导致 HardFault
  3. 内核、各固件的 ROM/RAM 分区地址必须互不重叠

启动流程

main()
  ├── svcrt_port_board_init()      // 硬件早期初始化（board层实现）
  ├── svcrt_cfg_load()             // 加载任务配置表
  ├── svcrt_port_irq_init()        // 中断优先级配置（board层实现）
  ├── svcrt_kernel_init()          // 内核模块初始化（事件/设备/MPU等）
  ├── svcrt_port_start_timer()     // 启动 SysTick（board层实现）
  └── svcrt_start_idle()           // 切换到 PSP，进入特权模式
        └── WFI 循环               // 等待第一个任务就绪

命名规范

SVCrtOS 采用统一的命名规范，参考 FreeRTOS / RT-Thread 风格：

类别 格式 示例
应用层 API svcrt_模块_动作 svcrt_task_wait(), svcrt_dev_open()
内核内部函数 svcrt_模块_动作_internal svcrt_task_wait_internal()
调度器函数 svcrt_sched_动作 svcrt_sched_next(), svcrt_sched_activate()
移植层函数 svcrt_port_动作 svcrt_port_board_init()
板级实现文件 svcrt_board.c 移植接口实现 + 中断入口
结构体类型 svcrt_模块_t svcrt_task_t, svcrt_fifo_t, svcrt_dev_drv_t
枚举常量 SVCRT_模块_状态 SVCRT_TASK_READY, SVCRT_TASK_WAIT
宏常量 SVCRT_大写描述 SVCRT_FIFO_MAGIC, SVCRT_DEV_HANDLE_FLAG
配置宏 SVCRT_USE_特性 SVCRT_USE_FPU, SVCRT_USE_MPU

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