μC/OS-II任務(wù)棧處理的改進(jìn)設計

已經(jīng)有不少的文章介紹了有關(guān)μC/OS-II這個(gè)實(shí)時(shí)內核及其應用。在很多的處理器上，
μC/OS-II都得到了應用。μC/OS-II是一種源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁減、可剝奪的
實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。特別適用于用戶(hù)任務(wù)較多，而對實(shí)時(shí)性要求較嚴格的場(chǎng)合。

　　μC/OS-II內核是一個(gè)占先式內核，用戶(hù)視任務(wù)的輕重緩急不同賦予任務(wù)不同的優(yōu)先
級。一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求越高，則應賦予的優(yōu)先級也越高；對那些要求不甚嚴
格的任務(wù)，賦予的優(yōu)先級應低一些。對突發(fā)事件，像A/D采樣后的數據讀取等，則應采用中
斷，實(shí)時(shí)響應，因而，中斷享有最高的優(yōu)先級。優(yōu)先級高的任務(wù)在進(jìn)行調度時(shí)，優(yōu)先得到資
源，因而能及時(shí)進(jìn)入運行態(tài)運行；優(yōu)先級低的得不到資源而進(jìn)入就緒態(tài)，等待下一次任務(wù)調
度。由于任務(wù)優(yōu)先級的唯一性，μC/OS-II內核能在不同任務(wù)間井然有序地調度運行。

　　μC/OS-II內核的功能強大，提供了用于共享資源的信號燈，用于進(jìn)程通信的消息隊列
和郵箱等，是一個(gè)比較全面的系統。但有些地方仍然值得改進(jìn)，比如該系統不支持時(shí)間片的
任務(wù)調度，因而一旦任務(wù)進(jìn)入了死循環(huán)，調度程序無(wú)法調度，其它的任務(wù)也就得不到及時(shí)運
行處理。解決的方法也很簡(jiǎn)單，只要在定時(shí)中斷服務(wù)程序中調用函數OSIntCtxSw()即可。

　　μC/OS-II內核的另外一個(gè)值得改進(jìn)的地方是它的堆棧處理。為了確保運行的安全可
靠，μC/OS-II內核將每個(gè)任務(wù)的堆?？臻g都按最大化處理，結果導致RAM的需求變大，往往
還需外擴RAM，而浪費過(guò)多。下面詳細討論如何改進(jìn)μC/OS-II內核的堆棧結構設計。

1 μC/OS-II的堆棧結構

　　在堆棧的處理上，μC/OS-II為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)獨立的堆棧，堆?？臻g按任務(wù)中最大
需求進(jìn)行分配。這種方法可保證程序可靠運行，但卻是以浪費大量的空間為代價(jià)。對一些小
系統來(lái)說(shuō)，沒(méi)有擴展外部RAM，內部RAM相當小，RAM的空間利用就非常重要了。下面就來(lái)探
討如何改進(jìn)μC/OS內核，以達到減少任務(wù)棧的內存需求。

　　在μC/OS-II中，每個(gè)任務(wù)都定義了一個(gè)獨立的堆?？臻g，這個(gè)堆?？臻g用來(lái)存放任務(wù)
的相關(guān)信息，具體包括以下幾個(gè)部分（如圖1所示）：
◆ 任務(wù)中定義的局部變量及被調用函數可能在棧上分配的局部變量；
◆ 任務(wù)中各個(gè)函數的返回地址；
◆ 發(fā)生中斷時(shí)需要保存的上下文；
◆ 中斷嵌套時(shí)需要保存的上下文。
　　　　　　　
　　在這4個(gè)部分中，前3個(gè)的內存需求是比較容易估算的，只要察看反匯編代碼，并計算各
個(gè)函數的棧需求，留有一定的裕量就可以了。但是第4部分的?？臻g使用量是隨中斷嵌套的
深度而不斷增加的，是不確定的，一般方法是定義一個(gè)充分大的?？臻g，使之不會(huì )溢出。但
為每個(gè)任務(wù)都定義一個(gè)充分大的?？臻g，會(huì )導致?？臻g的浪費。如果將第4部分獨立出來(lái)，
單獨為它定義一個(gè)較大的空間，在任務(wù)棧中去掉原來(lái)的第4部分，這樣，就可大大減少?？?br />間的浪費，減少對內存的需求。實(shí)際上，這是可行的。在μC/OS-II中，內核為中斷嵌套的
層數定義了一個(gè)全局變量OSIntNesting。系統在進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)，先要判斷OSIntNesting是
否為0，如果OSIntNesting不為0，則不進(jìn)行任務(wù)切換。也就是說(shuō)：在OSIntNesting為1（當
前只有一個(gè)中斷，并且沒(méi)有嵌套中斷）時(shí)，如果發(fā)生了嵌套的中斷（不管嵌套的層數有多
深），那么所有嵌套的中斷一層一層地都返回，直到OSIntNesting再次為1時(shí)止，任務(wù)棧是
不會(huì )切換的，棧指針始終在同一個(gè)任務(wù)的?？臻g中變化。因而，可以為中斷嵌套單獨定義一
個(gè)中斷嵌套棧。在發(fā)生第1次中斷時(shí)，中斷服務(wù)程序將?？臻g切換到中斷嵌套棧，這樣，以
后發(fā)生的嵌套中斷就一直使用這個(gè)?？臻g。在中斷返回到第1次中斷時(shí)，即OSIntNesting為1
時(shí)，中斷服務(wù)程序再從中斷嵌套棧切換回任務(wù)棧。這樣就實(shí)現了中斷任務(wù)的切換，減少了內
存需求。下面以此思路，來(lái)進(jìn)一步討論堆棧處理的結構設計。

2 μC/OS-II的堆棧改進(jìn)設計

　　按上述設計，可設置中斷嵌套棧OSInterruptStk，對中斷服務(wù)程序做如下修改。
① 保存全部CPU寄存器。
② 直接將OSIntNesting加1。
增加：判斷OSIntNesting是否等于1，如果不是則轉到3。
增加：將棧指針SP保存到OSTCBCur->OSTCBStkPtr。
增加：將SP指向OSInterruptStk的棧頂（注意棧增長(cháng)的方向）。
③ 執行用戶(hù)代碼做中斷服務(wù)。
④ 調用OSIntExit。
增加：判斷OSIntNesting是否等于0，如果不是則轉到5。
增加：從OSTCBCur->OSTCBStkPtr中恢復棧指針SP。
⑤ 恢復所有CPU寄存器。
⑥ 執行中斷返回指令。
此時(shí)，任務(wù)的堆棧分布情況如圖2所示。
這樣，就實(shí)現了中斷嵌套棧和任務(wù)棧的雙向切換。此外，還需修改OSIntCtxSw()函數，原始
的OSIntCtxSw()函數的寫(xiě)法如下：
① 調整棧指針，去掉在調用OSIntExit()和OSIntCtxSw()過(guò)程中入棧的多余內容；
② 將當前棧指針保存到OSTCBCur中，即STCBCur->OSTCBStkPtr = SP；
③ 如果需要則調用OSTaskSwHook；
④OSTCBCur = OSTCBHighRdy；
⑤OSPrio = OSPrioHighRdy；
⑥ 從OSTCBCur中恢復棧指針，SP= OSTCBCur ->OSTCBStkPtr；
⑦ 恢復保存了的CPU寄存器；
⑧ 執行中斷返回指令。
　　　　　　
　　新的寫(xiě)法只需將原寫(xiě)法中的1、2去掉即可，因為1、2步只是保存舊任務(wù)的棧指針，而新
寫(xiě)法中，這些步被移到了“中斷服務(wù)程序”中。作了上述修改后，原來(lái)在每個(gè)任務(wù)棧中都必
須的第4部分已被移到了中斷嵌套棧，實(shí)現了降低內存需求的目的。

結 語(yǔ)

　　μC/OS-II內核的堆棧處理適用于RAM存儲器充足，任務(wù)切換頻繁，對實(shí)時(shí)性要求嚴格的
場(chǎng)合，一般主要用在16位或32位微處理器較大的系統設計中。對于一般的小系統，由于RAM
空間有限，任務(wù)不多，切換也不是太頻繁，因而，在堆棧處理上可以采用中斷嵌套棧。這大
大減少了對RAM存儲器的需求，不但簡(jiǎn)化了硬件設計，而且還降低了成本。