uC/OS-II任务栈处理的一种改进方法

4 共用空间的堆栈处理方法

（1）栈共用连续存储空间

如果多个任务使用同一段连续空间作为堆栈，这样各个堆栈之间就可以互补使用。在前面说过，共用空间的问题在于一个任务运行时不能破坏其它任务的堆栈数据。为简单起见，先看图3所示两个任务的情况。

假定任务1首次运行时任务栈为空。运行一段时间后任务2运行，堆栈空间继续往上生长。这次任务切换不需要修改CPU的SP数值，但需要记下任务1的栈顶位置SP1（图3中）。

在任务2运行一段时间后，RTOS又切换到任务1运行。在切换时，不能简单地将SP指针修改回SP1的数值，因为这样堆栈向上生长时会破坏任务2堆栈中的数据。办法是将原来任1务堆栈保存的数据移动到靠栈顶的位置，而将任务2堆栈数据下移到靠栈底的位置，堆栈指针SP实际上不需要修改（图3右）。

考虑到更为一般的情况，有N个任务，当前运行的任务为k，下一个运行的任务为j，在共用任务堆栈时必须做的工作有：

*为每个任务定义栈顶和栈底2个堆栈指针；

*在任务切换时，将待运行任务j的堆栈内容移动到靠栈顶位置，同时将其堆栈上方的任务堆栈下移，修改被移动推栈的任务堆栈指针。

假设我们定义的任务栈空间和任务的栈指针变量为：

void TaskSTK[MAX_STK_LEN];/*任务堆栈空间*/

typedef struct TaskSTKPoint{

int TaskID;

int pTopSTK;

int pBottomSTK;

}TASK_STK_POINT;

TASK_STK_POINT pTaskSTK[MAX_TASK_NUM]; /*存放每个任务的栈顶和栈底指针*/

任务栈指针数组pTaskSTK的元素个数同任务个数。为了堆栈交换，需要另外一块临时存储空间，其大小可按单个任务栈最大长度定义，用于中转堆栈交换的内容。堆栈内容交换的伪C算法可写为：

StkEechange(int CurTaskID,int RunTaskID)

{ /*2个参数为当前运行任务号和下一运行任务号*/

void TempSTK[MAX_PER_STK_LEN]; /*注意该变量长度可小于TaskSTK*/

L=任务RunTaskTD的堆栈长度；

①将TaskSTK顶部的L字节移动到TempSTK中；

②将RunTaskID任务的堆栈内容移动到TaskSTK顶部；

③将RunTaskID堆栈上方（移动前位置）所有内容下移L个字节；

④修改RunTask堆栈上方（移动前位置）所有任务栈顶和栈底指针（pTaskSTK变量）；

}；

该算法的平均时间复杂度可计算如下：

O（T）=SL/2+SL/2+SL×N/2

式中，第一、二项为步骤①和步骤②时间，第三项为步骤③时间；SL表示每个任堆栈的最大长度（即MAX_PER_STK_LEN），N表示任务数。

取SL为64字节，任务数为16个，则数据项平均移动次数为576。假设每次移动指令时间为2μs，则一次任务栈移动时间长达约1ms。所以在使用该方法时，为了执行时间尽量短，编码时应仔细推敲。

从空间上说，共用任务栈比独立任务栈优越。假设独立任务栈方法中每个堆栈空间为K，任务数为N，则独立任务栈方式的堆栈总空间为N×K。在共用任务栈时，考虑各任务互补的情况，TaskSTK变量不需要定义为N×K长度，可能定义为二分之一或者更小就可以了。

另外，这种方法不需要在任务切换时修改CPU的SP指针。

（2）工作栈和任务堆栈

上节共用任务栈算法的缺点是：任务切换时的堆栈内容交换算法复杂，占用时间长。另外一个折中的方法是设计一个工作堆栈，用于给当前运行的任务使用；在任务切换时，将工作栈内容换出得另外的存储空间，该空间可以动态申请，其大小按实际需要即可。

这种方法看起来和独立任务栈的方法类似，需要N+1块存储空间，其中一块用于工作栈空间。和独立任务堆栈相比，其区别有2点：

①SP指针所指向的空间始终是同一块存储空间，即工作栈；

②每个任务栈的大小不需要按最大空间定义，可以动态按实际大小从内存中分配空间。

对于8031这种处理器结构，由于堆栈指针只能指向其内部存储器，大小十分有限。采取这种方法，可将工作栈设在内部RAM，将任务栈设在外部RAM，扩展了堆栈空间。

和上一种共用堆栈方法相比，这种方法的交换时间要短，其时间复杂度约为1.5倍最大任务栈长度。

5 总结

独立任务栈的方法适合于存储器充足、任务切换频繁、对任务切换时间要求较高的场合，一般主要用在16位或者32位微处理器平台环境。值得注意的是，在某些微处理器中，虽然可使用的数据存储器可以设计得较大，但堆栈所能使用的存储器却是有限的。比如8031系列存储器，堆栈只能使用内部的128字节数据存储器，即使系统中有64K字节的外部数据存储器，任务栈的总空间也不能超过128字节。这种处理器使用共用任务栈结构的RTOS就更好一些。

由于共用任务栈系统需要较长的任务切换时间，不适于任务切换频繁的场合，在很多嵌入式系统中，长时间只有几个任务会处于运行状态，其它任务