?? uc-os-ii任務棧處理的一種改進方法--電子門.htm
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<TD><IMG height=53 alt=""
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bgColor=#bbccde><STRONG>uC/OS-II任務棧處理的一種改進方法</STRONG></TD></TR>
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<DIV align=right><SPAN class=textbox-label>[
2006-4-25 16:40:11 | By: <SPAN
class=style3>電子門</SPAN>
]</SPAN></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
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<TR>
<TD><SPAN class=oblog_text><SPAN
id=ob_logd10724></SPAN><FONT
face=宋體><B>摘要：</B></FONT><SPAN
class=p4>在uC/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。</SPAN>
<P class=MsoNormal><SPAN class=p4
style="FONT-FAMILY: 宋體; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">
<B>關鍵詞：</B></SPAN><SPAN class=p4>uC/OS-II 任務堆棧
RTOS 共用空間堆棧</SPAN></P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">關于uC/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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">uC/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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">uC/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uC/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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">uC/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uC/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。<B><BR><IMG
onmousewheel="return bbimg(this)"
style="CURSOR: pointer"
onclick=javascript:window.open(this.src);
src="uC-OS-II任務棧處理的一種改進方法--電子門.files/5a.gif"
onload=rsimg(this,300)><BR>1 任務切換要保存的數據</B></P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 0px"><B>2
C編譯器中變量在堆棧中的位置</B></P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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）。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 0px"><B>3
uC/OS-II對任務棧的處理方法與缺陷</B></P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">uC/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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">比如，在其ex21.c文件中定義的任務堆棧語句為：</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">OS_STK
TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*啟動任務堆棧*/</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">OS_STK
TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*時鐘任務堆棧*/</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">OS_STK
TasklStk[TASK_STK_SIZE]; /*任務1#，任務堆棧*/</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">……</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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，uC/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。</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">LES BX，DWORD
PTR DS：_OSTCBCur</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">；保存掛起任務的堆棧指針SP</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">MOV
ES：[BX+2]，SS</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">MOV
ES：[BX+0]，SP</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">……</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">LESB X，DWORD
PTR DS：_OSTCBHighRdy ；切換SP到要運行任務的堆棧空間</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">MOV
SS，ES：[BX+2]</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">MOV
SP，ES:[BX]</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">……<BR><IMG
onmousewheel="return bbimg(this)"
style="CURSOR: pointer"
onclick=javascript:window.open(this.src);
src="uC-OS-II任務棧處理的一種改進方法--電子門.files/5b.gif"
onload=rsimg(this,300)><BR>
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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 0px"><B>4
共用空間的堆棧處理方法</B></P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">（1）棧共用連續存儲空間</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">如果多個任務使用同一段連續空間作為堆棧，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運行時不能破壞其它任務的堆棧數據。為簡單起見，先看圖3所示兩個任務的情況。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">假定任務1首次運行時任務棧為空。運行一段時間后任務2運行，堆棧空間繼續往上生長。這次任務切換不需要修改CPU的SP數值，但需要記下任務1的棧頂位置SP1（圖3中）。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">在任務2運行一段時間后，RTOS又切換到任務1運行。在切換時，不能簡單地將SP指針修改回SP1的數值，因為這樣堆棧向上生長時會破壞任務2堆棧中的數據。辦法是將原來任1務堆棧保存的數據移動到靠棧頂的位置，而將任務2堆棧數據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）。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">考慮到更為一般的情況，有N個任務，當前運行的任務為k，下一個運行的任務為j，在共用任務堆棧時必須做的工作有：</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">*為每個任務定義棧頂和棧底2個堆棧指針；</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">*在任務切換時，將待運行任務j的堆棧內容移動到靠棧頂位置，同時將其堆棧上方的任務堆棧下移，修改被移動推棧的任務堆棧指針。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">假設我們定義的任務棧空間和任務的棧指針變量為：</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">void
TaskSTK[MAX_STK_LEN];/*任務堆棧空間*/</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">typedef
struct TaskSTKPoint{</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">int
TaskID;</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">int
pTopSTK;</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">int
pBottomSTK;</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">}TASK_STK_POINT;</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">TASK_STK_POINT
pTaskSTK[MAX_TASK_NUM]; /*存放每個任務的棧頂和棧底指針*/</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">任務棧指針數組pTaskSTK的元素個數同任務個數。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棧最大長度定義，用于中轉堆棧交換的內容。堆棧內容交換的偽C算法可寫為：</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">StkEechange(int
CurTaskID,int RunTaskID)</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">{
/*2個參數為當前運行任務號和下一運行任務號*/</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">void
TempSTK[MAX_PER_STK_LEN];
/*注意該變量長度可小于TaskSTK*/</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">L=任務RunTaskTD的堆棧長度；</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">①將TaskSTK頂部的L字節移動到TempSTK中；</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">②將RunTaskID任務的堆棧內容移動到TaskSTK頂部；</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">③將RunTaskID堆棧上方（移動前位置）所有內容下移L個字節；</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">④修改RunTask堆棧上方（移動前位置）所有任務棧頂和棧底指針（pTaskSTK變量）；</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 30px">}；<IMG
onmousewheel="return bbimg(this)"
style="CURSOR: pointer"
onclick=javascript:window.open(this.src);
src="uC-OS-II任務棧處理的一種改進方法--電子門.files/5c.gif"
onload=rsimg(this,300)></P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">該算法的平均時間復雜度可計算如下：</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">O（T）=SL/2+SL/2+SL×N/2</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">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表示任務數。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">取SL為64字節，任務數為16個，則數據項平均移動次數為576。假設每次移動指令時間為2μs，則一次任務棧移動時間長達約1ms。所以在使用該方法時，為了執行時間盡量短，編碼時應仔細推敲。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">從空間上說，共用任務棧比獨立任務棧優越。假設獨立任務棧方法中每個堆棧空間為K，任務數為N，則獨立任務棧方式的堆棧總空間為N×K。在共用任務棧時，考慮各任務互補的情況，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。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">另外，這種方法不需要在任務切換時修改CPU的SP指針。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">（2）工作棧和任務堆棧</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">上節共用任務棧算法的缺點是：任務切換時的堆棧內容交換算法復雜，占用時間長。另外一個折中的方法是設計一個工作堆棧，用于給當前運行的任務使用；在任務切換時，將工作棧內容換出得另外的存儲空間，該空間可以動態申請，其大小按實際需要即可。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">這種方法看起來和獨立任務棧的方法類似，需要N+1塊存儲空間，其中一塊用于工作棧空間。和獨立任務堆棧相比，其區別有2點：</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">①SP指針所指向的空間始終是同一塊存儲空間，即工作棧；</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">②每個任務棧的大小不需要按最大空間定義，可以動態按實際大小從內存中分配空間。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">對于8031這種處理器結構，由于堆棧指針只能指向其內部存儲器，大小十分有限。采取這種方法，可將工作棧設在內部RAM，將任務棧設在外部RAM，擴展了堆棧空間。</P>
<P class=p4
style="TEXT-INDENT: 30px">和上一種共用堆棧方法相比，這種方法的交換時間要短，其時間復雜度約為1.5倍最大任務棧長度。</P>
<P class=p4 style="TEXT-INDENT: 0px"><B>5
總結</B></P>
<P class=p4
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