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uC/OS-II任務棧處理的一種改進方法
摘要：在μC/OS-II內核中，各個不同的任務使用獨立的堆棧空間，堆棧的大小按每個任務所需要的最大堆棧深度來定義，這種方法可能會造成堆棧空間浪費。本文敘述如何在RTOS中多個任務共用連續存儲空間作為任務棧的方法，并詳細比較二者的優缺點和適用性。關于μC/OS-II這個實時內核及其應用已經有很多文章介紹了，對于學習RTOS的人來說，這個系統是很好的學習起點。雖然文獻[1]的源代碼沒有行號和函數名交叉索引表等，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語言基礎的人來說，仍然可以在不長的時間內掌握。
μC/OS-II內核是一個搶先式內核，可以進行任務間切換，也可以讓一個任務在得不到某個資源時休眠一定時間后再繼續運行；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。
μC/OS-II內核有些地方仍然值得改進，比如該系統不支持時間片調度。如果有一個任務中一段死循環代碼（或者條件循環代碼），代碼就會永遠（或長時間）在此處執行，調度程序無法控制，其它任務也就是不到及時執行。這種搶先式實際上和非搶先式系統存在著同樣問題。當然，如果這種代碼不一個BUG，問題是可以解決的，在不提供時間片調度的搶先式系統中，一般采取信號燈，或者任務主動休眠的方法（對于μC/OS-II，很容易改造成支持時間片調度，只要在定時中斷服務程序調用OSIntCtxSw()函數即可）；非搶先式系統一般采取有限狀態機方法，不使用這種耗時很長的循環代碼。不過，無論如何，對RTOS的使用者來說，這畢竟會使得任務函數的編碼不能隨心所欲。
ΜC/OS-II內核的另外一個值得改進的地方就是其任務棧管理方法。在μC/OS-II內核中，各個不同的任務使用獨立的堆棧空間，堆棧的大小按每個任務所需要的最大堆棧深度來定義，這種方法可能會造成堆棧空間的浪費。下面討論如何在RTOS中多個任務共用一段連續存儲空間作為傻堆棧。
1 任務切換要保存的數據
簡單地說，一個任務可看作一個運行中的C函數。對于搶先式RTOS來說，在任務切換時，應保存當前任務的各種現場數據。現場數據包括局部變量、各個CPU寄存器、堆棧指針和程序被中止的任務指針。CPU寄存器是任何任務代碼均會用到的；而局部變量，一般的編譯器是將其它安排在堆棧空間中，堆棧指針也是各任務公用的，所以也需要保存。
對于全局變量，由于一般是在內存中的固定位置，各任務所占用的空間完全獨立，所以不需要保存。
在X86環境中，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IP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
對于一個存在函數調用嵌套的C程序來說，大部分編譯器將傳遞的參數和函數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，以保存上級函數的運行寄存器。
假設函數main（）調用funl()，而funl（）調用fun2（），則在執行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，堆棧中的各種數據就是一個任務的作現場。一般CPU的堆棧指針SP只有一個，在進行任務切換時，必須將掛起任務所使用的堆棧內容保存起來，以便使該任務在下次喚醒時能從原地繼續運行。
3 μC/OS-II對任務棧的處理方法與缺陷
μC/OS-II為了保存任務堆棧中的數據，對每個任務定義一個數組變量作為堆棧，在任務切換時，將CPU堆棧指針SP指向該數組中的某個元素，即棧頂，如圖2所示。
比如，在其ex21.c文件中定義的任務堆棧語句為：
OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*啟動任務堆棧*/
OS_STK TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*時鐘任務堆棧*/
OS_STK TasklStk[TASK_STK_SIZE]; /*任務1#，任務堆棧*/
……
以上各任務堆棧數組變量在初始化函數OSTCBInit()中被會給了任務控制塊OS_TCB的OSTCBStkPtr變量。在任務切換時，μC/OS-II調用OSCtxSw匯編過程（OS_CPU_A.ASM文件），將CPU的SP指針指向該變量，從而使每個任務使用獨立的任務堆棧。
LES BX，DWORD PTR DS：_OSTCBCur
；保存掛起任務的堆棧指針SP
MOV ES：[BX 2]，SS
MOV ES：[BX 0]，SP
……
LESB X，DWORD PTR DS：_OSTCBHighRdy ；切換SP到要運行任務的堆棧空間
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的數值是同同的，因為OSTCBStkPtr是結構OSTCBHighRdy的第一個變量。
這種任務棧處理方法的缺點是可能造成空間的浪費。因為一個任務如果堆棧滿了，該任務也就無法運行，即使其它任務的堆棧還有空間可用。當然，這種方法的好處是任務棧切換的時間非常短，只需要幾條指令。
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