uC/OS-II任务栈处理的一种改进方法

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摘要：在μC/OS-II内核中，各个不同的任务使用独立的堆栈空间，堆栈的大小按每个任务所需要的最大堆栈深度来定义，这种方法可能会造成堆栈空间浪费。本文叙述如何在RTOS中多个任务共用连续存储空间作为任务栈的方法，并详细比较二者的优缺点和适用性。

    关键词：μC/OS-II 任务堆栈 RTOS 共用空间堆栈

关于μC/OS-II这个实时内核及其应用已经有很多文章介绍了，对于学习RTOS的人来说，这个系统是很好的学习起点。虽然文献[1]的源代码没有行号和函数名交叉索引表等，给源代码阅读造成一些困难（可使用BC31的grep查找功能，提高阅读效率），好在代码不是很长，前面又有详细的中文说明，对于有一定X86汇编和C语言基础的人来说，仍然可以在不长的时间内掌握。

μC/OS-II内核是一个抢先式内核，可以进行任务间切换，也可以让一个任务在得不到某个资源时休眠一定时间后再继续运行；提供了用于共享资源管理的信号灯，用于进程通信的消息队列和邮箱，甚至提供了存储器管理机制，一个比较全面的系统。

μC/OS-II内核有些地方仍然值得改进，比如该系统不支持时间片调度。如果有一个任务中一段死循环代码（或者条件循环代码），代码就会永远（或长时间）在此处执行，调度程序无法控制，其它任务也就是不到及时执行。这种抢先式实际上和非抢先式系统存在着同样问题。当然，如果这种代码不一个BUG，问题是可以解决的，在不提供时间片调度的抢先式系统中，一般采取信号灯，或者任务主动休眠的方法（对于μC/OS-II，很容易改造成支持时间片调度，只要在定时中断服务程序调用OSIntCtxSw()函数即可）；非抢先式系统一般采取有限状态机方法，不使用这种耗时很长的循环代码。不过，无论如何，对RTOS的使用者来说，这毕竟会使得任务函数的编码不能随心所欲。

ΜC/OS-II内核的另外一个值得改进的地方就是其任务栈管理方法。在μC/OS-II内核中，各个不同的任务使用独立的堆栈空间，堆栈的大小按每个任务所需要的最大堆栈深度来定义，这种方法可能会造成堆栈空间的浪费。下面讨论如何在RTOS中多个任务共用一段连续存储空间作为傻堆栈。
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1 任务切换要保存的数据

简单地说，一个任务可看作一个运行中的C函数。对于抢先式RTOS来说，在任务切换时，应保存当前任务的各种现场数据。现场数据包括局部变量、各个CPU寄存器、堆栈指针和程序被中止的任务指针。CPU寄存器是任何任务代码均会用到的；而局部变量，一般的编译器是将其它安排在堆栈空间中，堆栈指针也是各任务公用的，所以也需要保存。

对于全局变量，由于一般是在内存中的固定位置，各任务所占用的空间完全独立，所以不需要保存。

在X86环境中，要保存的CPU寄存器共14个16位寄存器；通用寄存器8个（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、BI）、段寄存器4个（CS、DS、ES、SS）以及指令指针IP和标志寄存器FR各1个。

2 C编译器中变量在堆栈中的位置

对于一个存在函数调用嵌套的C程序来说，大部分编译器将传递的参数和函数本身的局部变量放在了堆栈中，编译器会自动生成压栈（push）和弹栈（pop）代码，以保存上级函数的运行寄存器。

假设函数main（）调用funl()，而funl（）调用fun2（），则在执行fun2()中的代码时，堆栈映像如图1所示（X86 CPU的情况）。

对于RTOS软件，堆栈中的各种数据就是一个任务的作现场。一般CPU的堆栈指针SP只有一个，在进行任务切换时，必须将挂起任务所使用的堆栈内容保存起来，以便使该任务在下次唤醒时能从原地继续运行。

3 μC/OS-II对任务栈的处理方法与缺陷

μC/OS-II为了保存任务堆栈中的数据，对每个任务定义一个数组变量作为堆栈，在任务切换时，将CPU堆栈指针SP指向该数组中的某个元素，即栈顶，如图2所示。

比如，在其ex21.c文件中定义的任务堆栈语句为：

OS_STK TaskStartStk[TASK_STK_SIZE]; /*启动任务堆栈*/

OS_STK TaskClkStk[TASK_STK_SIZE]; /*时钟任务堆栈*/

OS_STK TasklStk[TASK_STK_SIZE]; /*任务1#，任务堆栈*/

……

以上各任务堆栈数组变量在初始化函数OSTCBInit()中被会给了任务控制块OS_TCB的OSTCBStkPtr变量。在任务切换时，μC/OS-II调用OSCtxSw汇编过程（OS_CPU_A.ASM文件），将CPU的SP指针指向该变量，从而使每个任务使用独立的任务堆栈。

LES BX，DWORD PTR DS：_OSTCBCur

；保存挂起任务的堆栈指针SP

MOV ES：[BX+2]，SS

MOV ES：[BX+0]，SP

……

LESB X，DWORD PTR DS：_OSTCBHighRdy ；切换SP到要运行任务的堆栈空间

MOV SS，ES：[BX+2]

MOV SP，ES:[BX]

……
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    在代码中，变量OSTCBHighRdy（OSTCBCur）和堆栈指针变量OSTCBStkPtr的数值是同同的，因为OSTCBStkPtr是结构OSTCBHighRdy的第一个变量。

这种任务栈处理方法的缺点是可能造成空间的浪费。因为一个任务如果堆栈满了，该任务也就无法运行，即使其它任务的堆栈还有空间可用。当然，这种方法的好处是任务栈切换的时间非常短，只需要几条指令。

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）；

}；javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

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，其它任务在特定的条件下才会运行。对于RTOS的使用者，也可以适当地划分任务，来减小任务切换的时间。

无论使用哪种方法，在存储空间有限时，任务栈的长度应仔细计算。计算的根据是任务中的函数嵌套数、函数局部变量长度。对于共用任务栈，还要考虑同时运行态和挂起态的最大任务数。一些编译器可以生成堆栈溢出检查代码，在调试时可将该编译开关打开，以测试需要的实际堆栈长度。