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uC/OS-II任務(wù)棧處理的一種改進(jìn)方法
摘要：在μC/OS-II內(nèi)核中，各個(gè)不同的任務(wù)使用獨(dú)立的堆�？臻g，堆棧的大小按每個(gè)任務(wù)所需要的最大堆棧深度來(lái)定義，這種方法可能會(huì)造成堆�？臻g浪費(fèi)。本文敘述如何在RTOS中多個(gè)任務(wù)共用連續(xù)存儲(chǔ)空間作為任務(wù)棧的方法，并詳細(xì)比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。關(guān)于μC/OS-II這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核及其應(yīng)用已經(jīng)有很多文章介紹了，對(duì)于學(xué)習(xí)RTOS的人來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)是很好的學(xué)習(xí)起點(diǎn)。雖然文獻(xiàn)[1]的源代碼沒(méi)有行號(hào)和函數(shù)名交叉索引表等，給源代碼閱讀造成一些困難（可使用BC31的grep查找功能，提高閱讀效率），好在代碼不是很長(zhǎng)，前面又有詳細(xì)的中文說(shuō)明，對(duì)于有一定X86匯編和C語(yǔ)言基礎(chǔ)的人來(lái)說(shuō)，仍然可以在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)掌握。
μC/OS-II內(nèi)核是一個(gè)搶先式內(nèi)核，可以進(jìn)行任務(wù)間切換，也可以讓一個(gè)任務(wù)在得不到某個(gè)資源時(shí)休眠一定時(shí)間后再繼續(xù)運(yùn)行；提供了用于共享資源管理的信號(hào)燈，用于進(jìn)程通信的消息隊(duì)列和郵箱，甚至提供了存儲(chǔ)器管理機(jī)制，一個(gè)比較全面的系統(tǒng)。
μC/OS-II內(nèi)核有些地方仍然值得改進(jìn)，比如該系統(tǒng)不支持時(shí)間片調(diào)度。如果有一個(gè)任務(wù)中一段死循環(huán)代碼（或者條件循環(huán)代碼），代碼就會(huì)永遠(yuǎn)（或長(zhǎng)時(shí)間）在此處執(zhí)行，調(diào)度程序無(wú)法控制，其它任務(wù)也就是不到及時(shí)執(zhí)行。這種搶先式實(shí)際上和非搶先式系統(tǒng)存在著同樣問(wèn)題。當(dāng)然，如果這種代碼不一個(gè)BUG，問(wèn)題是可以解決的，在不提供時(shí)間片調(diào)度的搶先式系統(tǒng)中，一般采取信號(hào)燈，或者任務(wù)主動(dòng)休眠的方法（對(duì)于μC/OS-II，很容易改造成支持時(shí)間片調(diào)度，只要在定時(shí)中斷服務(wù)程序調(diào)用OSIntCtxSw()函數(shù)即可）；非搶先式系統(tǒng)一般采取有限狀態(tài)機(jī)方法，不使用這種耗時(shí)很長(zhǎng)的循環(huán)代碼。不過(guò)，無(wú)論如何，對(duì)RTOS的使用者來(lái)說(shuō)，這畢竟會(huì)使得任務(wù)函數(shù)的編碼不能隨心所欲。
ΜC/OS-II內(nèi)核的另外一個(gè)值得改進(jìn)的地方就是其任務(wù)棧管理方法。在μC/OS-II內(nèi)核中，各個(gè)不同的任務(wù)使用獨(dú)立的堆�？臻g，堆棧的大小按每個(gè)任務(wù)所需要的最大堆棧深度來(lái)定義，這種方法可能會(huì)造成堆�？臻g的浪費(fèi)。下面討論如何在RTOS中多個(gè)任務(wù)共用一段連續(xù)存儲(chǔ)空間作為傻堆棧。
1 任務(wù)切換要保存的數(shù)據(jù)
簡(jiǎn)單地說(shuō)，一個(gè)任務(wù)可看作一個(gè)運(yùn)行中的C函數(shù)。對(duì)于搶先式RTOS來(lái)說(shuō)，在任務(wù)切換時(shí)，應(yīng)保存當(dāng)前任務(wù)的各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)�，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括局部變量、各個(gè)CPU寄存器、堆棧指針和程序被中止的任務(wù)指針。CPU寄存器是任何任務(wù)代碼均會(huì)用到的；而局部變量，一般的編譯器是將其它安排在堆�？臻g中，堆棧指針也是各任務(wù)公用的，所以也需要保存。
對(duì)于全局變量，由于一般是在內(nèi)存中的固定位置，各任務(wù)所占用的空間完全獨(dú)立，所以不需要保存。
在X86環(huán)境中，要保存的CPU寄存器共14個(gè)16位寄存器；通用寄存器8個(gè)（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、BI）、段寄存器4個(gè)（CS、DS、ES、SS）以及指令指針I(yè)P和標(biāo)志寄存器FR各1個(gè)。
2 C編譯器中變量在堆棧中的位置
對(duì)于一個(gè)存在函數(shù)調(diào)用嵌套的C程序來(lái)說(shuō)，大部分編譯器將傳遞的參數(shù)和函數(shù)本身的局部變量放在了堆棧中，編譯器會(huì)自動(dòng)生成壓棧（push）和彈棧（pop）代碼，以保存上級(jí)函數(shù)的運(yùn)行寄存器。
假設(shè)函數(shù)main（）調(diào)用funl()，而funl（）調(diào)用fun2（），則在執(zhí)行fun2()中的代碼時(shí)，堆棧映像如圖1所示（X86 CPU的情況）。
對(duì)于RTOS軟件，堆棧中的各種數(shù)據(jù)就是一個(gè)任務(wù)的作現(xiàn)場(chǎng)。一般CPU的堆棧指針SP只有一個(gè)，在進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)，必須將掛起任務(wù)所使用的堆棧內(nèi)容保存起來(lái)，以便使該任務(wù)在下次喚醒時(shí)能從原地繼續(xù)運(yùn)行。
3 μC/OS-II對(duì)任務(wù)棧的處理方法與缺陷
μC/OS-II為了保存任務(wù)堆棧中的數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)任務(wù)定義一個(gè)數(shù)組變量作為堆棧，在任務(wù)切換時(shí)，將CPU堆棧指針SP指向該數(shù)組中的某個(gè)元素，即棧頂，如圖2所示。
比如，在其ex21.c文件中定義的任務(wù)堆棧語(yǔ)句為：
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*啟動(dòng)任務(wù)堆棧*/
OS_STK TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*時(shí)鐘任務(wù)堆棧*/
OS_STK TasklStk[TASK_STK_SIZE]; /*任務(wù)1#，任務(wù)堆棧*/
……
以上各任務(wù)堆棧數(shù)組變量在初始化函數(shù)OSTCBInit()中被會(huì)給了任務(wù)控制塊OS_TCB的OSTCBStkPtr變量。在任務(wù)切換時(shí)，μC/OS-II調(diào)用OSCtxSw匯編過(guò)程（OS_CPU_A.ASM文件），將CPU的SP指針指向該變量，從而使每個(gè)任務(wù)使用獨(dú)立的任務(wù)堆棧。
LES BX，DWORD PTR DS：_OSTCBCur
；保存掛起任務(wù)的堆棧指針SP
MOV ES：[BX 2]，SS
MOV ES：[BX 0]，SP
……
LESB X，DWORD PTR DS：_OSTCBHighRdy ；切換SP到要運(yùn)行任務(wù)的堆�？臻g
MOV SS，ES：[BX 2]
MOV SP，ES:[BX]
……
在代碼中，變量OSTCBHighRdy（OSTCBCur）和堆棧指針變量OSTCBStkPtr的數(shù)值是同同的，因?yàn)镺STCBStkPtr是結(jié)構(gòu)OSTCBHighRdy的第一個(gè)變量。
這種任務(wù)棧處理方法的缺點(diǎn)是可能造成空間的浪費(fèi)。因?yàn)橐粋�(gè)任務(wù)如果堆棧滿了，該任務(wù)也就無(wú)法運(yùn)行，即使其它任務(wù)的堆棧還有空間可用。當(dāng)然，這種方法的好處是任務(wù)棧切換的時(shí)間非常短，只需要幾條指令。
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