uC/OS-II任务栈处理的一种改进方法

关于μC/OS-II这个实时内核及其应用已经有很多文章介绍了，对于学习RTOS的人来说，这个系统是很好的学习起点。虽然文献[1]的源代码没有行号和函数名交叉索引表等，给源代码阅读造成一些困难（可使用BC31的grep查找功能，提高阅读效率），好在代码不是很长，前面又有详细的中文说明，对于有一定X86汇编和C语言基础的人来说，仍然可以在不长的时间内掌握。

μC/OS-II内核是一个抢先式内核，可以进行任务间切换，也可以让一个任务在得不到某个资源时休眠一定时间后再继续运行；提供了用于共享资源管理的信号灯，用于进程通信的消息队列和邮箱，甚至提供了存储器管理机制，是一个比较全面的系统。

μC/OS-II内核有些地方仍然值得改进，比如该系统不支持时间片调度。如果有一个任务中一段死循环代码（或者条件循环代码），代码就会永远（或长时间）在此处执行，调度程序无法控制，其它任务也就是不到及时执行。这种抢先式实际上和非抢先式系统存在着同样问题。当然，如果这种代码不一个BUG，问题是可以解决的，在不提供时间片调度的抢先式系统中，一般采取信号灯，或者任务主动休眠的方法（对于μC/OS-II，很容易改造成支持时间片调度，只要在定时中断服务程序调用OSIntCtxSw()函数即可）；非抢先式系统一般采取有限状态机方法，不使用这种耗时很长的循环代码。不过，无论如何，对RTOS的使用者来说，这毕竟会使得任务函数的编码不能随心所欲。

uC/OS-II内核的另外一个值得改进的地方就是其任务栈管理方法。在μC/OS-II内核中，各个不同的任务使用独立的堆栈空间，堆栈的大小按每个任务所需要的最大堆栈深度来定义，这种方法可能会造成堆栈空间的浪费。下面讨论如何在RTOS中多个任务共用一段连续存储空间作为堆栈。

1 任务切换要保存的数据

简单地说，一个任务可看作一个运行中的C函数。对于抢先式RTOS来说，在任务切换时，应保存当前任务的各种现场数据。现场数据包括局部变量、各个CPU寄存器、堆栈指针和程序被中止的任务指针。CPU寄存器是任何任务代码均会用到的；而局部变量，一般的编译器是将其它安排在堆栈空间中，堆栈指针也是各任务公用的，所以也需要保存。 对于全局变量，由于一般是在内存中的固定位置，各任务所占用的空间完全独立，所以不需要保存。 在X86环境中，要保存的CPU寄存器共14个16位寄存器；通用寄存器8个（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、BI）、段寄存器4个（CS、DS、ES、SS）以及指令指针IP和标志寄存器FR各1个。


2 C编译器中变量在堆栈中的位置

对于一个存在函数调用嵌套的C程序来说，大部分编译器将传递的参数和函数本身的局部变量放在了堆栈中，编译器会自动生成压栈（push）和弹栈（pop）代码，以保存上级函数的运行寄存器。 假设函数main（）调用funl()，而funl（）调用fun2（），则在执行fun2()中的代码时，堆栈映像如图1所示（X86 CPU的情况）。


对于RTOS软件，堆栈中的各种数据就是一个任务的现场。一般CPU的堆栈指针SP只有一个，在进行任务切换时，必须将挂起任务所使用的堆栈内容保存起来，以便使该任务在下次唤醒时能从原地继续运行。


3 μC/OS-II对任务栈的处理方法与缺陷

μC/OS-II为了保存任务堆栈中的数据，对每个任务定义一个数组变量作为堆栈，在任务切换时，将CPU堆栈指针SP指向该数组中的某个元素，即栈顶，如图2所示。


比如，在其ex21.c文件中定义的任务堆栈语句为：

OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*启动任务堆栈*/
OS_STK TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*时钟任务堆栈*/
OS_STK TasklStk[TASK_STK_SIZE]; /*任务1#，任务堆栈*/ ……

以上各任务堆栈数组变量在初始化函数OSTCBInit()中被会给了任务控制块OS_TCB的OSTCBStkPtr变量。在任务切换时，μC/OS-II调用OSCtxSw汇编过程（OS_CPU_A.ASM文件），将CPU的SP指针指向该变量，从而使每个任务使用独立的任务堆栈。

LES BX，DWORD PTR DS：_OSTCBCur ；保存挂起任务的堆栈指针
SP MOV ES：[BX+2]，SS MOV ES：[BX+0]，SP …… LESB X，DWORD PTR DS：_OSTCBHighRdy ；切换SP到要运行任务的堆栈空间
MOV SS，ES：[BX+2] MOV SP，ES:[BX] ……

在代码中，变量OSTCBHighRdy（OSTCBCur）和堆栈指针变量OSTCBStkPtr的数值是相同的，因为OSTCBStkPtr是结构OSTCBHighRdy的第一个变量。 这种任务栈处理方法的缺点是可能造成空间的浪费。因为一个任务如果堆栈满了，该任务也就无法运行，即使其它任务的堆栈还有空间可用。当然，这种方法的好处是任务栈切换的时间非常短，只需要几条指令。