uC/OS II的任務(wù)切換機(jī)理及中斷調(diào)度優(yōu)化

　　對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)方式，CPU必須能夠：

• 有相應(yīng)的CPU寄存器能夠模仿SP的一些功能，能使用相應(yīng)的指令來(lái)完成類(lèi)似SP的一些操作；
• 作為SP使用的寄存器在編譯過(guò)程中最好不被編譯器默認(rèn)使用。在IAR的編譯器中，有一個(gè)選項(xiàng)可以避免在編譯過(guò)程中使用到R4、R5。

　　這兩點(diǎn)MSP430都可以做到。

　　 下面對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)為6的任務(wù)中斷后，會(huì)發(fā)生的幾種情況進(jìn)行分析。

　　 1）在中斷的處理過(guò)程中沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的中斷產(chǎn)生，即不會(huì)產(chǎn)生中斷嵌套。
　　圖3所示為中斷發(fā)生后對(duì)于任務(wù)優(yōu)先級(jí)為6的任務(wù)堆棧所進(jìn)行的操作。中斷發(fā)生后，PC和SR被系統(tǒng)壓棧②，對(duì)于IAR C編譯器來(lái)說(shuō)，會(huì)按照復(fù)雜度不同的中斷服務(wù)程序的要求，默認(rèn)地進(jìn)行一些寄存器的壓棧操作③。因?yàn)槲覀円蟮亩褩８袷绞侨鐖D2所示的，我們要把SP調(diào)整到 SR后面④，然后進(jìn)行R4~R15的壓棧操作，形成我們所要求的堆棧格式⑤。


　　進(jìn)行任務(wù)堆棧的壓棧工作以后，就可以調(diào)整SP的指針到系統(tǒng)堆棧了，如圖4所示。壓棧后的SP指向最后一個(gè)壓棧內(nèi)容①。我們把SP的值賦值給優(yōu)先級(jí)6任務(wù)的TCB->OSTCBStkPtr，以便進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的時(shí)候出棧使用②。接著，就把SP調(diào)整到系統(tǒng)堆棧處③。在中斷處理過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)壓棧的操作，那么這種情況下SP的指針會(huì)隨之移動(dòng)。由于現(xiàn)在是中斷堆棧中，所以不會(huì)破壞任務(wù)堆棧的格式。


　　由于沒(méi)有中斷嵌套，在中斷處理中沒(méi)有別的中斷發(fā)生，那么返回的步驟和上述的進(jìn)棧操作正好相反。在中斷處理完了以后，SP會(huì)自動(dòng)回到圖4中③的SP位置。接著，系統(tǒng)會(huì)查詢(xún)到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧，進(jìn)行 R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。因?yàn)槲覀儼阉械娜蝿?wù)堆棧都規(guī)定成相同的格式，所以它們之間不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。這里需要注意的是，因?yàn)橄到y(tǒng)在C編譯器的中斷處理中會(huì)對(duì)中斷進(jìn)入時(shí)默認(rèn)壓棧的寄存器出棧，所以在設(shè)計(jì)出棧的程序時(shí)，要先把這些內(nèi)容壓棧，這樣才能正確出棧。

　　2）在中斷的處理過(guò)程中，有別的中斷產(chǎn)生，產(chǎn)生中斷嵌套。
　　如圖5所示，由于在處理中斷的時(shí)候，SP已經(jīng)被移到系統(tǒng)堆棧去了，只有當(dāng)中斷退出的時(shí)候才可能把SP移到別的任務(wù)的任務(wù)堆棧中。所以在中斷的時(shí)候進(jìn)行中斷嵌套，那么對(duì)于中斷的處理和第一次是一樣的，所不同的是，這次保存在堆棧中的不是任務(wù)運(yùn)行中的寄存器，而是中斷處理中的寄存器，而且是保存在系統(tǒng)堆棧中而不是任務(wù)堆棧中。從這里就可以看出優(yōu)化內(nèi)存的效果。所有的中斷嵌套中的寄存器壓棧都?jí)涸谙到y(tǒng)堆棧中，這樣對(duì)于任務(wù)堆棧內(nèi)存大小的要求大大降低。


　　因?yàn)閡C/OS II在進(jìn)入中斷中，會(huì)把全局變量OSIntNesting++；在退出中斷的時(shí)候，又會(huì)把OSIntNesting--。在退出中斷進(jìn)行任務(wù)切換之前，uC/OS II會(huì)先判斷OSIntNesting是否為0，是0才會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。當(dāng)?shù)诙袛噙\(yùn)行結(jié)束以后，退出中斷嵌套的時(shí)候， OSIntNesting不為0，也就不會(huì)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。因此，仍舊在系統(tǒng)堆棧出棧，那么系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)前面沒(méi)有完成的中斷服務(wù)程序。

　　接著退出中斷的順序和非中斷嵌套的順序是一樣的。在中斷處理完以后，SP會(huì)自動(dòng)回到圖4中③的SP位置。接著，系統(tǒng)會(huì)查詢(xún)到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，然后把SP的指針移到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)的任務(wù)堆棧。進(jìn)行R15~R4的出棧工作，最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務(wù)。

　　中斷的情況基本上就是上述兩種。對(duì)于有些文獻(xiàn)中提到的在中斷中會(huì)調(diào)度到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的情況，筆者覺(jué)得是不應(yīng)該發(fā)生的。因?yàn)閺纳厦娴姆治隹梢钥闯?，默認(rèn)的（uC/OS II的設(shè)計(jì)思路）中斷處理會(huì)同時(shí)對(duì)全局變量OSIntNesting進(jìn)行增減處理，

　　以給出是否需要任務(wù)調(diào)度的條件。那么即使在中斷服務(wù)程序中把更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒，也會(huì)等到中斷退出以后再進(jìn)行調(diào)度，除非是在中斷中直接調(diào)用更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)函數(shù)。但這種方法應(yīng)該是和uC/OS II的原則相違背的，沿用的是以前前后臺(tái)設(shè)計(jì)的思路。

　　對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)方式，時(shí)鐘節(jié)拍的處理方式必須和一般的中斷處理方式是一樣的。一般來(lái)說(shuō)，MSP430使用WATCHDOG時(shí)鐘中斷作為時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生源。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘節(jié)拍本身也是中斷處理過(guò)程，所以對(duì)于時(shí)鐘節(jié)拍的處理應(yīng)該和其它的中斷處理過(guò)程相同。實(shí)際上，在時(shí)鐘節(jié)拍的處理過(guò)程中也可能會(huì)存在中斷嵌套的問(wèn)題。

　　中斷堆棧和任務(wù)堆棧分離設(shè)計(jì)的程序流程如圖6所示。

4 幾點(diǎn)建議

1. 編寫(xiě)中斷程序的時(shí)候，有條件盡量使用匯編語(yǔ)言。因?yàn)檫@樣可以避免一些編譯器自己進(jìn)行的操作，減少指針調(diào)整的次數(shù)。
2. 在用C編寫(xiě)中斷服務(wù)的時(shí)候，因?yàn)橛行┕δ鼙仨氄{(diào)用匯編的函數(shù)才能實(shí)現(xiàn)。調(diào)用函數(shù)時(shí)，有些時(shí)候壓棧的PC會(huì)破壞堆棧的結(jié)構(gòu)。這個(gè)時(shí)候需要把堆棧進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證堆棧格式的正確。
3. 中斷處理過(guò)程中調(diào)用OSIntExit()的時(shí)候，由于 uC/OS II的原始設(shè)計(jì)中SP指針有時(shí)是不調(diào)整的，所以在OSIntExit()返回了以后，還要判斷一下是否中斷嵌套。因?yàn)橛械臅r(shí)候是需要切換任務(wù)的。