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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。關鍵詞：μC/OS-II 任務堆棧 RTOS 共用空間堆棧
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。
(范文先生網www.baimashangsha.com收集整理)
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。
4 共用空間的堆棧處理方法
（1）棧共用連續存儲空間
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。
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）。
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）。
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：
*為每個任務定義棧頂和棧底2個堆棧指針；
*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。
假設我們定義的任務棧空間和任務的棧指針變量為：
void TaskSTK[MAX_STK_LEN];/*任務堆棧空間*/
typedef struct TaskSTKPoint{
int TaskID;
int pTopSTK;
int pBottomSTK;
}TASK_STK_POINT;
TASK_STK_POINT pTaskSTK[MAX_TASK_NUM]; /*存放每個任務的棧頂和棧底指針*/
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：
StkEechange(int CurTaskID,int RunTaskID)
{ /*2個參數為當前運行任務號和下一運行任務號*/
void TempSTK[MAX_PER_STK_LEN]; /*注意該變量長度可小于TaskSTK*/
L=任務RunTaskTD的堆棧長度；
①將TaskSTK頂部的L字節移動到TempSTK中；
②將RunTaskID任務的堆棧內容移動到TaskSTK頂部；
③將RunTaskID堆棧上方（移動前位置）所有內容下移L個字節；
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）；
}；
該算法的平均時間復雜度可計算如下：
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表示任務數。
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。
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。
另外，這種方法不需要在任務切換時修改CPU的SP指針。
（2）工作棧和任務堆棧
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。
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：
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。
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。
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。
5 總結
獨立任務棧的方法適合于存儲器充足、任務切換頻繁、對任務切換時間要求較高的場合，一般主要用在16位或者32位微處理器平臺環境。值得注意的是，在某些微處理器中，雖然可使用的數據存儲器可以設計得較大，但堆棧所能使用的存儲器卻是有限的。比如8031系列存儲器，堆棧只能使用內部的128字節數據存儲器，即使系統中有64K字節的外部數據存儲器，任務棧的總空間也不能超過128字節。這種處理器使用共用任務棧結構的RTOS就更好一些。
由于共用任務棧系統需要較長的任務切換時間，不適于任務切換頻繁的場合，在很多嵌入式系統中，長時間只有幾個任務會處于運行狀態，其它任務在特定的條件下才會運行。對于RTOS的使用者，也可以適當地劃分任務，來減小任務切換的時間。
無論使用哪種方法，在存儲空間有限時，任務棧的長度應仔細計算。計算的根據是任務中的函數嵌套數、函數局部變量長度。對于共用任務棧，還要考慮同時運行態和掛起態的最大任務數。一些編譯器可以生成堆棧溢出檢查代碼，在調試時可將該編譯開關打開，以測試需要的實際堆棧長度。
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