uC/OS-II任務(wù)棧處理的一種改進(jìn)方法

關(guān)鍵詞：μC/OS-II 任務(wù)堆棧 RTOS 共用空間堆棧

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)造成堆棧空間的浪費(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)。現(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(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。

4 共用空間的堆棧處理方法

（1）棧共用連續(xù)存儲(chǔ)空間

如果多個(gè)任務(wù)使用同一段連續(xù)空間作為堆棧，這樣各個(gè)堆棧之間就可以互補(bǔ)使用。在前面說(shuō)過(guò)，共用空間的問(wèn)題在于一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)不能破壞其它任務(wù)的堆棧數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，先看圖3所示兩個(gè)任務(wù)的情況。

假定任務(wù)1首次運(yùn)行時(shí)任務(wù)棧為空。運(yùn)行一段時(shí)間后任務(wù)2運(yùn)行，堆?？臻g繼續(xù)往上生長(zhǎng)。這次任務(wù)切換不需要修改CPU的SP數(shù)值，但需要記下任務(wù)1的棧頂位置SP1（圖3中）。

在任務(wù)2運(yùn)行一段時(shí)間后，RTOS又切換到任務(wù)1運(yùn)行。在切換時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將SP指針修改回SP1的數(shù)值，因?yàn)檫@樣堆棧向上生長(zhǎng)時(shí)會(huì)破壞任務(wù)2堆棧中的數(shù)據(jù)。辦法是將原來(lái)任1務(wù)堆棧保存的數(shù)據(jù)移動(dòng)到靠棧頂?shù)奈恢?，而將任?wù)2堆棧數(shù)據(jù)下移到靠棧底的位置，堆棧指針SP實(shí)際上不需要修改（圖3右）。

考慮到更為一般的情況，有N個(gè)任務(wù)，當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)為k，下一個(gè)運(yùn)行的任務(wù)為j，在共用任務(wù)堆棧時(shí)必須做的工作有：

*為每個(gè)任務(wù)定義棧頂和棧底2個(gè)堆棧指針；

*在任務(wù)切換時(shí)，將待運(yùn)行任務(wù)j的堆棧內(nèi)容移動(dòng)到靠棧頂位置，同時(shí)將其堆棧上方的任務(wù)堆棧下移，修改被移動(dòng)推棧的任務(wù)堆棧指針。

假設(shè)我們定義的任務(wù)?？臻g和任務(wù)的棧指針變量為：

void TaskSTK[MAX_STK_LEN];/*任務(wù)堆棧空間*/

typedef struct TaskSTKPoint{

int TaskID;

int pTopSTK;

int pBottomSTK;

}TASK_STK_POINT;

TASK_STK_POINT pTaskSTK[MAX_TASK_NUM]; /*存放每個(gè)任務(wù)的棧頂和棧底指針*/

任務(wù)棧指針數(shù)組pTaskSTK的元素個(gè)數(shù)同任務(wù)個(gè)數(shù)。為了堆棧交換，需要另外一塊臨時(shí)存儲(chǔ)空間，其大小可按單個(gè)任務(wù)棧最大長(zhǎng)度定義，用于中轉(zhuǎn)堆棧交換的內(nèi)容。堆棧內(nèi)容交換的偽C算法可寫(xiě)為：

StkEechange(int CurTaskID,int RunTaskID)

{ /*2個(gè)參數(shù)為當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)號(hào)和下一運(yùn)行任務(wù)號(hào)*/

void TempSTK[MAX_PER_STK_LEN]; /*注意該變量長(zhǎng)度可小于TaskSTK*/

L=任務(wù)RunTaskTD的堆棧長(zhǎng)度；

①將TaskSTK頂部的L字節(jié)移動(dòng)到TempSTK中；

②將RunTaskID任務(wù)的堆棧內(nèi)容移動(dòng)到TaskSTK頂部；

③將RunTaskID堆棧上方（移動(dòng)前位置）所有內(nèi)容下移L個(gè)字節(jié)；

④修改RunTask堆棧上方（移動(dòng)前位置）所有任務(wù)棧頂和棧底指針（pTaskSTK變量）；

}；

該算法的平均時(shí)間復(fù)雜度可計(jì)算如下：

O（T）=SL/2+SL/2+SLN/2

式中，第一、二項(xiàng)為步驟①和步驟②時(shí)間，第三項(xiàng)為步驟③時(shí)間；SL表示每個(gè)任堆棧的最大長(zhǎng)度（即MAX_PER_STK_LEN），N表示任務(wù)數(shù)。

取SL為64字節(jié)，任務(wù)數(shù)為16個(gè)，則數(shù)據(jù)項(xiàng)平均移動(dòng)次數(shù)為576。假設(shè)每次移動(dòng)指令時(shí)間為2μs，則一次任務(wù)棧移動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)約1ms。所以在使用該方法時(shí)，為了執(zhí)行時(shí)間盡量短，編碼時(shí)應(yīng)仔細(xì)推敲。

從空間上說(shuō)，共用任務(wù)棧比獨(dú)立任務(wù)棧優(yōu)越。假設(shè)獨(dú)立任務(wù)棧方法中每個(gè)堆?？臻g為K，任務(wù)數(shù)為N，則獨(dú)立任務(wù)棧方式的堆?？偪臻g為NK。在共用任務(wù)棧時(shí)，考慮各任務(wù)互補(bǔ)的情況，TaskSTK變量不需要定義為NK長(zhǎng)度，可能定義為二分之一或者更小就可以了。

另外，這種方法不需要在任務(wù)切換時(shí)修改CPU的SP指針。

（2）工作棧和任務(wù)堆棧

上節(jié)共用任務(wù)棧算法的缺點(diǎn)是：任務(wù)切換時(shí)的堆棧內(nèi)容交換算法復(fù)雜，占用時(shí)間長(zhǎng)。另外一個(gè)折中的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)工作堆棧，用于給當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)使用；在任務(wù)切換時(shí)，將工作棧內(nèi)容換出得另外的存儲(chǔ)空間，該空間可以動(dòng)態(tài)申請(qǐng)，其大小按實(shí)際需要即可。

這種方法看起來(lái)和獨(dú)立任務(wù)棧的方法類(lèi)似，需要N+1塊存儲(chǔ)空間，其中一塊用于工作棧空間。和獨(dú)立任務(wù)堆棧相比，其區(qū)別有2點(diǎn)：

①SP指針?biāo)赶虻目臻g始終是同一塊存儲(chǔ)空間，即工作棧；

②每個(gè)任務(wù)棧的大小不需要按最大空間定義，可以動(dòng)態(tài)按實(shí)際大小從內(nèi)存中分配空間。

對(duì)于8031這種處理器結(jié)構(gòu)，由于堆棧指針只能指向其內(nèi)部存儲(chǔ)器，大小十分有限。采取這種方法，可將工作棧設(shè)在內(nèi)部RAM，將任務(wù)棧設(shè)在外部RAM，擴(kuò)展了堆?？臻g。

和上一種共用堆棧方法相比，這種方法的交換時(shí)間要短，其時(shí)間復(fù)雜度約為1.5倍最大任務(wù)棧長(zhǎng)度。

5 總結(jié)

獨(dú)立任務(wù)棧的方法適合于存儲(chǔ)器充足、任務(wù)切換頻繁、對(duì)任務(wù)切換時(shí)間要求較高的場(chǎng)合，一般主要用在16位或者32位微處理器平臺(tái)環(huán)境。值得注意的是，在某些微處理器中，雖然可使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以設(shè)計(jì)得較大，但堆棧所能使用的存儲(chǔ)器卻是有限的。比如8031系列存儲(chǔ)器，堆棧只能使用內(nèi)部的128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即使系統(tǒng)中有64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，任務(wù)棧的總空間也不能超過(guò)128字節(jié)。這種處理器使用共用任務(wù)棧結(jié)構(gòu)的RTOS就更好一些。

由于共用任務(wù)棧系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的任務(wù)切換時(shí)間，不適于任務(wù)切換頻繁的場(chǎng)合，在很多嵌入式系統(tǒng)中，長(zhǎng)時(shí)間只有幾個(gè)任務(wù)會(huì)處于運(yùn)行狀態(tài)，其它任務(wù)在特定的條件下才會(huì)運(yùn)行。對(duì)于RTOS的使用者，也可以適當(dāng)?shù)貏澐秩蝿?wù)，來(lái)減小任務(wù)切換的時(shí)間。

無(wú)論使用哪種方法，在存儲(chǔ)空間有限時(shí)，任務(wù)棧的長(zhǎng)度應(yīng)仔細(xì)計(jì)算。計(jì)算的根據(jù)是任務(wù)中的函數(shù)嵌套數(shù)、函數(shù)局部變量長(zhǎng)度。對(duì)于共用任務(wù)棧，還要考慮同時(shí)運(yùn)行態(tài)和掛起態(tài)的最大任務(wù)數(shù)。一些編譯器可以生成堆棧溢出檢查代碼，在調(diào)試時(shí)可將該編譯開(kāi)關(guān)打開(kāi)，以測(cè)試需要的實(shí)際堆棧長(zhǎng)度。