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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內核中，各個(gè)不同的任務(wù)使用獨立的堆�？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。本文敘述如何在RTOS中多個(gè)任務(wù)共用連續存儲空間作為任務(wù)棧的方法，并詳細比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。關(guān)于μC/OS-II這個(gè)實(shí)時(shí)內核及其應用已經(jīng)有很多文章介紹了，對于學(xué)習RTOS的人來(lái)說(shuō)，這個(gè)系統是很好的學(xué)習起點(diǎn)。雖然文獻[1]的源代碼沒(méi)有行號和函數名交叉索引表等，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(cháng)，前面又有詳細的中文說(shuō)明，對于有一定X86匯編和C語(yǔ)言基礎的人來(lái)說(shuō)，仍然可以在不長(cháng)的時(shí)間內掌握。
μC/OS-II內核是一個(gè)搶先式內核，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)間后再繼續運行；提供了用于共享資源管理的信號燈，用于進(jìn)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(gè)比較全面的系統。
μC/OS-II內核有些地方仍然值得改進(jìn)，比如該系統不支持時(shí)間片調度。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（或長(cháng)時(shí)間）在此處執行，調度程序無(wú)法控制，其它任務(wù)也就是不到及時(shí)執行。這種搶先式實(shí)際上和非搶先式系統存在著(zhù)同樣問(wèn)題。當然，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)間片調度的搶先式系統中，一般采取信號燈，或者任務(wù)主動(dòng)休眠的方法（對于μC/OS-II，很容易改造成支持時(shí)間片調度，只要在定時(shí)中斷服務(wù)程序調用OSIntCtxSw()函數即可）；非搶先式系統一般采取有限狀態(tài)機方法，不使用這種耗時(shí)很長(cháng)的循環(huán)代碼。不過(guò)，無(wú)論如何，對RTOS的使用者來(lái)說(shuō)，這畢竟會(huì )使得任務(wù)函數的編碼不能隨心所欲。
ΜC/OS-II內核的另外一個(gè)值得改進(jìn)的地方就是其任務(wù)棧管理方法。在μC/OS-II內核中，各個(gè)不同的任務(wù)使用獨立的堆�？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。下面討論如何在RTOS中多個(gè)任務(wù)共用一段連續存儲空間作為傻堆棧。
1 任務(wù)切換要保存的數據
簡(jiǎn)單地說(shuō)，一個(gè)任務(wù)可看作一個(gè)運行中的C函數。對于搶先式RTOS來(lái)說(shuō)，在任務(wù)切換時(shí)，應保存當前任務(wù)的各種現場(chǎng)數據�，F場(chǎng)數據包括局部變量、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。
對于全局變量，由于一般是在內存中的固定位置，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(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
對于一個(gè)存在函數調用嵌套的C程序來(lái)說(shuō)，大部分編譯器將傳遞的參數和函數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，以保存上級函數的運行寄存器。
假設函數main（）調用funl()，而funl（）調用fun2（），則在執行fun2()中的代碼時(shí)，堆棧映像如圖1所示（X86 CPU的情況）。
對于RTOS軟件，堆棧中的各種數據就是一個(gè)任務(wù)的作現場(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)堆棧中的數據，對每個(gè)任務(wù)定義一個(gè)數組變量作為堆棧，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)堆棧數組變量在初始化函數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�？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的數值是同同的，因為OSTCBStkPtr是結構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。因為一個(gè)任務(wù)如果堆棧滿(mǎn)了，該任務(wù)也就無(wú)法運行，即使其它任務(wù)的堆棧還有空間可用。當然，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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