μC/OS-II任务栈处理的改进设计[经验总结]

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μC/OS-II任务栈处理的改进设计

发布时间:2004年3月22日点击次数:704

来源: 作者:武汉大学杨少军李杭生

　　已经有不少的文章介绍了有关μC/OS-II这个实时内核及其应用。在很多的处理器上,μC/OS-II都得到了应用。μC/OS-II是一种源码公开、可移植、可固化、可裁减、可剥夺的实时多任务操作系统。特别适用于用户任务较多,而对实时性要求较严格的场合。

　　μC/OS-II内核是一个占先式内核,用户视任务的轻重缓急不同赋予任务不同的优先级。一般来说,用户任务的实时性要求越高,则应赋予的优先级也越高;对那些要求不甚严格的任务,赋予的优先级应低一些。对突发事件,像A/D采样后的数据读取等,则应采用中断,实时响应,因而,中断享有最高的优先级。优先级高的任务在进行调度时,优先得到资源,因而能及时进入运行态运行;优先级低的得不到资源而进入就绪态,等待下一次任务调度。由于任务优先级的唯一性,μC/OS-II内核能在不同任务间井然有序地调度运行。

　　μC/OS-II内核的功能强大,提供了用于共享资源的信号灯,用于进程通信的消息队列和邮箱等,是一个比较全面的系统。但有些地方仍然值得改进,比如该系统不支持时间片的任务调度,因而一旦任务进入了死循环,调度程序无法调度,其它的任务也就得不到及时运行处理。解决的方法也很简单,只要在定时中断服务程序中调用函数OSIntCtxSw()即可。

　　μC/OS-II内核的另外一个值得改进的地方是它的堆栈处理。为了确保运行的安全可靠,μC/OS-II内核将每个任务的堆栈空间都按最大化处理,结果导致RAM的需求变大,往往还需外扩RAM,而浪费过多。下面详细讨论如何改进μC/OS-II内核的堆栈结构设计。

1 μC/OS-II的堆栈结构

　　在堆栈的处理上,μC/OS-II为每个任务分配一个独立的堆栈,堆栈空间按任务中最大需求进行分配。这种方法可保证程序可靠运行,但却是以浪费大量的空间为代价。对一些小系统来说,没有扩展外部RAM,内部RAM相当小,RAM的空间利用就非常重要了。下面就来探讨如何改进μC/OS内核,以达到减少任务栈的内存需求。

　　在μC/OS-II中,每个任务都定义了一个独立的堆栈空间,这个堆栈空间用来存放任务的相关信息,具体包括以下几个部分（如图1所示）：

　　◆ 任务中定义的局部变量及被调用函数可能在栈上分配的局部变量;
　　◆ 任务中各个函数的返回地址;
　　◆ 发生中断时需要保存的上下文;
　　◆ 中断嵌套时需要保存的上下文。

图1 任务的堆栈内容分布情况

　　在这4个部分中,前3个的内存需求是比较容易估算的,只要察看反汇编代码,并计算各个函数的栈需求,留有一定的裕量就可以了。但是第4部分的栈空间使用量是随中断嵌套的深度而不断增加的,是不确定的,一般方法是定义一个充分大的栈空间,使之不会溢出。但为每个任务都定义一个充分大的栈空间,会导致栈空间的浪费。如果将第4部分独立出来,单独为它定义一个较大的空间,在任务栈中去掉原来的第4部分,这样,就可大大减少栈空间的浪费,减少对内存的需求。实际上,这是可行的。在μC/OS-II中,内核为中断嵌套的层数定义了一个全局变量OSIntNesting。系统在进行任务调度时,先要判断OSIntNesting是否为0,如果OSIntNesting不为0,则不进行任务切换。也就是说：在OSIntNesting为1（当前只有一个中断,并且没有嵌套中断）时,如果发生了嵌套的中断（不管嵌套的层数有多深）,那么所有嵌套的中断一层一层地都返回,直到OSIntNesting再次为1时止,任务栈是不会切换的,栈指针始终在同一个任务的栈空间中变化。因而,可以为中断嵌套单独定义一个中断嵌套栈。在发生第1次中断时,中断服务程序将栈空间切换到中断嵌套栈,这样,以后发生的嵌套中断就一直使用这个栈空间。在中断返回到第1次中断时,即OSIntNesting为1时,中断服务程序再从中断嵌套栈切换回任务栈。这样就实现了中断任务的切换,减少了内存需求。下面以此思路,来进一步讨论堆栈处理的结构设计。

2 μC/OS-II的堆栈改进设计

　　按上述设计,可设置中断嵌套栈OSInterruptStk,对中断服务程序做如下修改。

　　① 保存全部CPU寄存器。
　　② 直接将OSIntNesting加1。
　　　　增加：判断OSIntNesting是否等于1,如果不是则转到3。
　　　　增加：将栈指针SP保存到OSTCBCur->OSTCBStkPtr。
　　　　增加：将SP指向OSInterruptStk的栈顶（注意栈增长的方向）。
　　③ 执行用户代码做中断服务。
　　④ 调用OSIntExit。
　　　　增加：判断OSIntNesting是否等于0,如果不是则转到5。
　　　　增加：从OSTCBCur->OSTCBStkPtr中恢复栈指针SP。
　　⑤ 恢复所有CPU寄存器。
　　⑥ 执行中断返回指令。

　　此时,任务的堆栈分布情况如图2所示。

图2 改进后任务的堆栈内容分布情况

　　这样,就实现了中断嵌套栈和任务栈的双向切换。此外,还需修改OSIntCtxSw()函数,原始的OSIntCtxSw()函数的写法如下：

　　① 调整栈指针,去掉在调用OSIntExit()和OSIntCtxSw()过程中入栈的多余内容;
　　② 将当前栈指针保存到OSTCBCur中,即STCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
　　③ 如果需要则调用OSTaskSwHook;
　　④ OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
　　⑤ OSPrio = OSPrioHighRdy;
　　⑥ 从OSTCBCur中恢复栈指针,SP= OSTCBCur ->OSTCBStkPtr;
　　⑦ 恢复保存了的CPU寄存器;
　　⑧ 执行中断返回指令。

　　新的写法只需将原写法中的1、2去掉即可,因为1、2步只是保存旧任务的栈指针,而新写法中,这些步被移到了“中断服务程序”中。作了上述修改后,原来在每个任务栈中都必须的第4部分已被移到了中断嵌套栈,实现了降低内存需求的目的。

结语

　　μC/OS-II内核的堆栈处理适用于RAM存储器充足,任务切换频繁,对实时性要求严格的场合,一般主要用在16位或32位微处理器较大的系统设计中。对于一般的小系统,由于RAM空间有限,任务不多,切换也不是太频繁,因而,在堆栈处理上可以采用中断嵌套栈。这大大减少了对RAM存储器的需求,不但简化了硬件设计,而且还降低了成本。

参考文献

1 Labrose Jean J. μC/OS-II——嵌入式实时操作系统. 邵贝贝译. 第2版. 北京：北京航空航天大学出版社,2003
2 Texas Instruments. TMS320C54x C语言编译器用户指导.pdf
3 Texas Instruments. TMS320C54x 汇编语言工具用户指导.pdf
4 TMS320C54x DSP 参考（CPU and Peripherals）.pdf
5 TMS320C54x DSP 参考（Applications Guide）.pdf
6 Texas Instruments. TMS320C54X DataSheet .pdf

杨少军硕士,主要从事自动控制、信号处理方面的研究工作。
李杭生副教授,硕士生导师。主要从事自动控制方面的研究。

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