uC/OS-II任務(wù)棧處理的一種改進方法
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這個實時內(nèi)核及其應(yīng)用已經(jīng)有很多文章介紹了，對于學(xué)習RTOS的人來說，這個系統(tǒng)是很好的學(xué)習起點。雖然文獻[1]的源代碼沒有行號和函數(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，前面又有詳細的中文說明，對于有一定X86匯編和C語言基礎(chǔ)的人來說，仍然可以在不長的時間內(nèi)掌握。
μC/OS-II內(nèi)核是一個搶先式內(nèi)核，可以進行任務(wù)間切換，也可以讓一個任務(wù)在得不到某個資源時休眠一定時間后再繼續(xù)運行；提供了用于共享資源管理的信號燈，用于進程通信的消息隊列和郵箱，甚至提供了存儲器管理機制，一個比較全面的系統(tǒng)。
μC/OS-II內(nèi)核有些地方仍然值得改進，比如該系統(tǒng)不支持時間片調(diào)度。如果有一個任務(wù)中一段死循環(huán)代碼（或者條件循環(huán)代碼），代碼就會永遠（或長時間）在此處執(zhí)行，調(diào)度程序無法控制，其它任務(wù)也就是不到及時執(zhí)行。這種搶先式實際上和非搶先式系統(tǒng)存在著同樣問題。當然，如果這種代碼不一個BUG，問題是可以解決的，在不提供時間片調(diào)度的搶先式系統(tǒng)中，一般采取信號燈，或者任務(wù)主動休眠的方法（對于μC/OS-II，很容易改造成支持時間片調(diào)度，只要在定時中斷服務(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)機方法，不使用這種耗時很長的循環(huán)代碼。不過，無論如何，對RTOS的使用者來說，這畢竟會使得任務(wù)函數(shù)的編碼不能隨心所欲。
ΜC/OS-II內(nèi)核的另外一個值得改進的地方就是其任務(wù)棧管理方法。在μC/OS-II內(nèi)核中，各個不同的任務(wù)使用獨立的堆棧空間，堆棧的大小按每個任務(wù)所需要的最大堆棧深度來定義，這種方法可能會造成堆?？臻g的浪費。下面討論如何在RTOS中多個任務(wù)共用一段連續(xù)存儲空間作為傻堆棧。
1 任務(wù)切換要保存的數(shù)據(jù)
簡單地說，一個任務(wù)可看作一個運行中的C函數(shù)。對于搶先式RTOS來說，在任務(wù)切換時，應(yīng)保存當前任務(wù)的各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)包括局部變量、各個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)代碼均會用到的；而局部變量，一般的編譯器是將其它安排在堆?？臻g中，堆棧指針也是各任務(wù)公用的，所以也需要保存。
對于全局變量，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16位寄存器；通用寄存器8個（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、BI）、段寄存器4個（CS、DS、ES、SS）以及指令指針I(yè)P和標志寄存器FR各1個。
2 C編譯器中變量在堆棧中的位置
對于一個存在函數(shù)調(diào)用嵌套的C程序來說，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，編譯器會自動生成壓棧（push）和彈棧（pop）代碼，以保存上級函數(shù)的運行寄存器。
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，堆棧映像如圖1所示（X86 CPU的情況）。
對于RTOS軟件，堆棧中的各種數(shù)據(jù)就是一個任務(wù)的作現(xiàn)場。一般CPU的堆棧指針SP只有一個，在進行任務(wù)切換時，必須將掛起任務(wù)所使用的堆棧內(nèi)容保存起來，以便使該任務(wù)在下次喚醒時能從原地繼續(xù)運行。
3 μC/OS-II對任務(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)，對每個任務(wù)定義一個數(shù)組變量作為堆棧，在任務(wù)切換時，將CPU堆棧指針SP指向該數(shù)組中的某個元素，即棧頂，如圖2所示。
比如，在其ex21.c文件中定義的任務(wù)堆棧語句為：
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*啟動任務(wù)堆棧*/
OS_STK TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*時鐘任務(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()中被會給了任務(wù)控制塊OS_TCB的OSTCBStkPtr變量。在任務(wù)切換時，μC/OS-II調(diào)用OSCtxSw匯編過程（OS_CPU_A.ASM文件），將CPU的SP指針指向該變量，從而使每個任務(wù)使用獨立的任務(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，因為OSTCBStkPtr是結(jié)構(gòu)OSTCBHighRdy的第一個變量。
這種任務(wù)棧處理方法的缺點是可能造成空間的浪費。因為一個任務(wù)如果堆棧滿了，該任務(wù)也就無法運行，即使其它任務(wù)的堆棧還有空間可用。當然，這種方法的好處是任務(wù)棧切換的時間非常短，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)存儲空間
如果多個任務(wù)使用同一段連續(xù)空間作為堆棧，這樣各個堆棧之間就可以互補使用。在前面說過，共用空間的問題在于一個任務(wù)運行時不能破壞其它任務(wù)的堆棧數(shù)據(jù)。為簡單起見，先看圖3所示兩個任務(wù)的情況。
假定任務(wù)1首次運行時任務(wù)棧為空。運行一段時間后任務(wù)2運行，堆棧空間繼續(xù)往上生長。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運行一段時間后，RTOS又切換到任務(wù)1運行。在切換時，不能簡單地將SP指針修改回SP1的數(shù)值，因為這樣堆棧向上生長時會破壞任務(wù)2堆棧中的數(shù)據(jù)。辦法是將原來任1務(wù)堆棧保存的數(shù)據(jù)移動到靠棧頂?shù)奈恢茫鴮⑷蝿?wù)2堆棧數(shù)據(jù)下移到靠棧底的位置，堆棧指針SP實際上不需要修改（圖3右）。
考慮到更為一般的情況，有N個任務(wù)，當前運行的任務(wù)為k，下一個運行的任務(wù)為j，在共用任務(wù)堆棧時必須做的工作有：
*為每個任務(wù)定義棧頂和棧底2個堆棧指針；
*在任務(wù)切換時，將待運行任務(wù)j的堆棧內(nèi)容移動到靠棧頂位置，同時將其堆棧上方的任務(wù)堆棧下移，修改被移動推棧的任務(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?？臻g*/
typedef struct TaskSTKPoint{
int TaskID;
int pTopSTK;
int pBottomSTK;
}TASK_STK_POINT;
TASK_STK_POINT pTaskSTK[MAX_TASK_NUM]; /*存放每個任務(wù)的棧頂和棧底指針*/
任務(wù)棧指針數(shù)組pTaskSTK的元素個數(shù)同任務(wù)個數(shù)。為了堆棧交換，需要另外一塊臨時存儲空間，其大小可按單個任務(wù)棧最大長度定義，用于中轉(zhuǎn)堆棧交換的內(nèi)容。堆棧內(nèi)容交換的偽C算法可寫為：
StkEechange(int CurTaskID,int RunTaskID)
{ /*2個參數(shù)為當前運行任務(wù)號和下一運行任務(wù)號*/
void TempSTK[MAX_PER_STK_LEN]; /*注意該變量長度可小于TaskSTK*/
L=任務(wù)RunTaskTD的堆棧長度；
①將TaskSTK頂部的L字節(jié)移動到TempSTK中；
②將RunTaskID任務(wù)的堆棧內(nèi)容移動到TaskSTK頂部；
③將RunTaskID堆棧上方（移動前位置）所有內(nèi)容下移L個字節(jié)；
④修改RunTask堆棧上方（移動前位置）所有任務(wù)棧頂和棧底指針（pTaskSTK變量）；
}；
該算法的平均時間復(fù)雜度可計算如下：
O（T）=SL/2+SL/2+SL×N/2
式中，第一、二項為步驟①和步驟②時間，第三項為步驟③時間；SL表示每個任堆棧的最大長度（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，則數(shù)據(jù)項平均移動次數(shù)為576。假設(shè)每次移動指令時間為2μs，則一次任務(wù)棧移動時間長達約1ms。所以在使用該方法時，為了執(zhí)行時間盡量短，編碼時應(yīng)仔細推敲。
從空間上說，共用任務(wù)棧比獨立任務(wù)棧優(yōu)越。假設(shè)獨立任務(wù)棧方法中每個堆?？臻g為K，任務(wù)數(shù)為N，則獨立任務(wù)棧方式的堆棧總空間為N×K。在共用任務(wù)棧時，考慮各任務(wù)互補的情況，TaskSTK變量不需要定義為N×K長度，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)棧算法的缺點是：任務(wù)切換時的堆棧內(nèi)容交換算法復(fù)雜，占用時間長。另外一個折中的方法是設(shè)計一個工作堆棧，用于給當前運行的任務(wù)使用；在任務(wù)切換時，將工作棧內(nèi)容換出得另外的存儲空間，該空間可以動態(tài)申請，其大小按實際需要即可。
這種方法看起來和獨立任務(wù)棧的方法類似，需要N+1塊存儲空間，其中一塊用于工作?？臻g。和獨立任務(wù)堆棧相比，其區(qū)別有2點：
①SP指針所指向的空間始終是同一塊存儲空間，即工作棧；
②每個任務(wù)棧的大小不需要按最大空間定義，可以動態(tài)按實際大小從內(nèi)存中分配空間。
對于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，這種方法的交換時間要短，其時間復(fù)雜度約為1.5倍最大任務(wù)棧長度。
5 總結(jié)
獨立任務(wù)棧的方法適合于存儲器充足、任務(wù)切換頻繁、對任務(wù)切換時間要求較高的場合，一般主要用在16位或者32位微處理器平臺環(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)存儲器可以設(shè)計得較大，但堆棧所能使用的存儲器卻是有限的。比如8031系列存儲器，堆棧只能使用內(nèi)部的128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，即使系統(tǒng)中有64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器，任務(wù)棧的總空間也不能超過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)需要較長的任務(wù)切換時間，不適于任務(wù)切換頻繁的場合，在很多嵌入式系統(tǒng)中，長時間只有幾個任務(wù)會處于運行狀態(tài)，其它任務(wù)在特定的條件下才會運行。對于RTOS的使用者，也可以適當?shù)貏澐秩蝿?wù)，來減小任務(wù)切換的時間。
無論使用哪種方法，在存儲空間有限時，任務(wù)棧的長度應(yīng)仔細計算。計算的根據(jù)是任務(wù)中的函數(shù)嵌套數(shù)、函數(shù)局部變量長度。對于共用任務(wù)棧，還要考慮同時運行態(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)試時可將該編譯開關(guān)打開，以測試需要的實際堆棧長度。
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