深入分析uCOS的任務(wù)堆棧

堆棧作用的就是用來(lái)保存局部變量，從本質(zhì)上講也就是將CPU寄存器的值保存到RAM中。在uCOS中，每一個(gè)任務(wù)都有一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)堆棧。為了深入理解任務(wù)堆棧的作用，不妨分析任務(wù)從“出生”到“消亡”的整個(gè)過(guò)程，具體就是分析任務(wù)的建立，運(yùn)行，掛起幾種狀態(tài)中任務(wù)堆棧的變化情況。

現(xiàn)在假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行著一個(gè)由用戶創(chuàng)建的用以完成打印工作的任務(wù)TPrint。TPrint最初通過(guò)OSTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建，在該函數(shù)中與任務(wù)堆棧有關(guān)的第一段代碼是大家比較熟悉的函數(shù)OSTaskStkInit()，這個(gè)函數(shù)是在uCOS移植過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)的，其作用是“初始化堆棧”,其實(shí)就是預(yù)先在RAM中的一塊區(qū)域中把任務(wù)將來(lái)運(yùn)行開(kāi)始時(shí)CPU寄存器應(yīng)處的狀態(tài)（正確值）準(zhǔn)備好，之后，任務(wù)第一次被內(nèi)核調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行時(shí)，將這些準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)（寄存器的值）推到CPU的寄存器中，如果數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的合理，CPU便會(huì)按照我們預(yù)先設(shè)計(jì)好的思路運(yùn)行。所以，“初始化堆棧”實(shí)際上是做了一個(gè)“未雨綢繆”的工作。這個(gè)過(guò)程中有兩點(diǎn)是必須慎重考慮的，一是PC該如何定位，二是CPU的其它寄存器(除PC之外)該怎么處理。先說(shuō)第一點(diǎn)，因?yàn)槿蝿?wù)是第一次運(yùn)行，而任務(wù)從本質(zhì)上將就是一段代碼，所以PC指針應(yīng)該定位到這段代碼的第一行處，即所謂的入口地址(Entry Point)處，這個(gè)地址由任務(wù)指針保存著，所以把該指針值賦給PC即可。第二，這段代碼還未被執(zhí)行過(guò)，所以代碼中的變量與CPU的其它寄存器一點(diǎn)關(guān)系也沒(méi)有，因此R0-R12，R14可隨便給值，或者不賦值也可，讓這些寄存器保持原來(lái)的值，顯然后者更為簡(jiǎn)單。最后再給CPSR賦值，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要使系統(tǒng)運(yùn)行于系統(tǒng)模式或管理模式。經(jīng)過(guò)入棧和出棧，此時(shí)SP指向任務(wù)堆棧的最底端（就是已經(jīng)定義好的任務(wù)堆棧數(shù)組的最后一個(gè)元素）。

之后任務(wù)代碼開(kāi)始正式運(yùn)行，因?yàn)镃PU的寄存器是有限的，所以在運(yùn)行時(shí)不可避免地要把一些臨時(shí)變量暫時(shí)保存到堆棧中。具體應(yīng)保存到哪個(gè)地址呢，不用擔(dān)心，SP知道（任務(wù)第一次運(yùn)行時(shí)，這個(gè)地址就是任務(wù)堆棧數(shù)組的最后一個(gè)元素的地址）。任務(wù)堆棧的大小和任務(wù)代碼中臨時(shí)變量的數(shù)目有關(guān)，如果這段代碼臨變量特別多，堆棧就應(yīng)設(shè)計(jì)的大一些。

然后，TPrint任務(wù)由于某種原因?qū)⒁粧炱?，所以?yīng)把任務(wù)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)放到堆棧里保護(hù)起來(lái)，TPrint任務(wù)再次運(yùn)行時(shí)再把這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)還原，任務(wù)就能從上次斷點(diǎn)處緊接著運(yùn)行。那么，這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)是什么呢？從本質(zhì)上講，TPrint任務(wù)的運(yùn)行過(guò)程就是CPU在執(zhí)行一段特定的代碼，所以這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)就是CPU的現(xiàn)場(chǎng)，也就是寄存器的值。這些寄存器的值包含了代碼執(zhí)行時(shí)的所有信息，包括當(dāng)前運(yùn)行到了這段代碼的哪個(gè)位置處（由PC值指明）。因此，把CPU的寄存器的值推入堆棧，然后記住棧頂指針的位置（SP由OSTCBCur->OSTCBStkPtr保存），當(dāng)任務(wù)再次將要運(yùn)行前，從SP指向的地址處依次把先前保存的CPU寄存器的值放到CPU的寄存器中，任務(wù)就可以從上次中斷的地方準(zhǔn)確無(wú)誤地執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程就像突然把任務(wù)凍結(jié)了，與任務(wù)有關(guān)的任何東西都不能動(dòng)了，一段時(shí)間之后又把任務(wù)解凍，與它有關(guān)的東西又變得可用，于是任務(wù)又可以活蹦亂跳地跑起來(lái)了。

從以上分析可以看出，任務(wù)堆棧至始至終伴隨著任務(wù)，與之生死與共，它的作用可以概括為兩點(diǎn)：第一，當(dāng)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，它用來(lái)保存一些局部變量；第二，當(dāng)任務(wù)掛起時(shí)，它負(fù)責(zé)保存任務(wù)的運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，也就是CPU寄存器的值。有些朋友正是忽視了第一點(diǎn)，產(chǎn)生了“任務(wù)堆棧大小應(yīng)是固定值的疑問(wèn)”。我感覺(jué)，這可能與對(duì)函數(shù)OSTaskStkInit()的理解有關(guān)，我們都稱之為堆棧初始化函數(shù)，但此處的“初始化”與我們理解的初始化不太一樣，平時(shí)講的（變量的）初始化似乎指的是將變量的所有成員都一一初始化。而此處的堆棧的初始化僅僅是初始化了很大一個(gè)堆棧的一小部分，因?yàn)楫?dāng)前只有這部分是有用的，而剩余的大部分用不到，所以不用初始化，就像有些變量不用初始化一樣（有默認(rèn)值或隨機(jī)值）。更深入一點(diǎn)考慮，當(dāng)任務(wù)掛起時(shí)，任務(wù)堆棧中保存任務(wù)掛起前CPU寄存器的這一連續(xù)的區(qū)域肯定在整個(gè)堆棧的最上面；當(dāng)任務(wù)重新開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，SP彈出寄存器的值，這段區(qū)域變成空白的區(qū)域。而且，任務(wù)每次掛起前用來(lái)保存當(dāng)前CPU寄存器這一連續(xù)區(qū)域在整個(gè)任務(wù)堆?？臻g中是浮動(dòng)的。