uC/OS-II任務(wù)棧處理的一種改進方法

時間：2024-10-27 22:36:30 理工畢業(yè)論文我要投稿

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摘要：在μC/OS-II內(nèi)核中，各個不同的任務(wù)使用獨立的堆棧空間，堆棧的大小按每個任務(wù)所需要的最大堆棧深度來定義，這種方法可能會造成堆棧空間浪費。本文敘述如何在RTOS中多個任務(wù)共用連續(xù)存儲空間作為任務(wù)棧的方法，并詳細比較二者的優(yōu)缺點和適用性。

關(guān)于μC/OS-II這個實時內(nèi)核及其應(yīng)用已經(jīng)有很多文章介紹了，對于學(xué)習(xí)RTOS的人來說，這個系統(tǒng)是很好的學(xué)習(xí)起點。雖然文獻[1]的源代碼沒有行號和函數(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，前面又有詳細的中文說明，對于有一定X86匯編和C語言基礎(chǔ)的人來說，仍然可以在不長的時間內(nèi)掌握。

μC/OS-II內(nèi)核是一個搶先式內(nèi)核，可以進行任務(wù)間切換，也可以讓一個任務(wù)在得不到某個資源時休眠一定時間后再繼續(xù)運行；提供了用于共享資源管理的信號燈，用于進程通信的消息隊列和郵箱，甚至提供了存儲器管理機制，一個比較全面的系統(tǒng)。

μC/OS-II內(nèi)核有些地方仍然值得改進，比如該系統(tǒng)不支持時間片調(diào)度。如果有一個任務(wù)中一段死循環(huán)代碼（或者條件循環(huán)代碼），代碼就會永遠（或長時間）在此處執(zhí)行，調(diào)度程序無法控制，其它任務(wù)也就是不到及時執(zhí)行。這種搶先式實際上和非搶先式系統(tǒng)存在著同樣問題。當(dāng)然，如果這種代碼不一個BUG，問題是可以解決的，在不提供時間片調(diào)度的搶先式系統(tǒng)中，一般采取信號燈，或者任務(wù)主動休眠的方法（對于μC/OS-II，很容易改造成支持時間片調(diào)度，只要在定時中斷服務(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)機方法，不使用這種耗時很長的循環(huán)代碼。不過，無論如何，對RTOS的使用者來說，這畢竟會使得任務(wù)函數(shù)的編碼不能隨心所欲。

ΜC/OS-II內(nèi)核的另外一個值得改進的地方就是其任務(wù)棧管理方法。在μC/OS-II內(nèi)核中，各個不同的任務(wù)使用獨立的堆棧空間，堆棧的大小按每個任務(wù)所需要的最大堆棧深度來定義，這種方法可能會造成堆棧空間的浪費。下面討論如何在RTOS中多個任務(wù)共用一段連續(xù)存儲空間作為傻堆棧。

1 任務(wù)切換要保存的數(shù)據(jù)

簡單地說，一個任務(wù)可看作一個運行中的C函數(shù)。對于搶先式RTOS來說，在任務(wù)切換時，應(yīng)保存當(dāng)前任務(wù)的各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)包括局部變量、各個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)代碼均會用到的；而局部變量，一般的編譯器是將其它安排在堆棧空間中，堆棧指針也是各任務(wù)公用的，所以也需要保存。

對于全局變量，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16位寄存器；通用寄存器8個（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、BI）、段寄存器4個（CS、DS、ES、SS）以及指令指針I(yè)P和標(biāo)志寄存器FR各1個。

2 C編譯器中變量在堆棧中的位置

對于一個存在函數(shù)調(diào)用嵌套的C程序來說，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，編譯器會自動生成壓棧（push）和彈棧（pop）代碼，以保存上級函數(shù)的運行寄存器。

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，堆棧映像如圖1所示（X86 CPU的情況）。

對于RTOS軟件，堆棧中的各種數(shù)據(jù)就是一個任務(wù)的作現(xiàn)場。一般CPU的堆棧指針SP只有一個，在進行任務(wù)切換時，必須將掛起任務(wù)所使用的堆棧內(nèi)容保存起來，以便使該任務(wù)在下次喚醒時能從原地繼續(xù)運行。

3 μC/OS-II對任務(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)，對每個任務(wù)定義一個數(shù)組變量作為堆棧，在任務(wù)切換時，將CPU堆棧指針SP指向該數(shù)組中的某個元素，即棧頂，如圖2所示。

比如，在其ex21.c文件中定義的任務(wù)堆棧語句為：

OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*啟動任務(wù)堆棧*/

OS_STK TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*時鐘任務(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()中被會給了任務(wù)控制塊OS_TCB的OSTCBStkPtr變量。在任務(wù)切換時，μC/OS-II調(diào)用OSCtxSw匯編過程（OS_CPU_A.ASM文件），將CPU的SP指針指向該變量，從而使每個任務(wù)使用獨立的任務(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到要運行任務(wù)的堆棧空間

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，因為OSTCBStkPtr是結(jié)構(gòu)OSTCBHighRdy的第一個變量。