uC/OS-II任务栈处理的一种改进方法

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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。 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] …… 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); }; 该算法的平均时间复杂度可计算如下: O(T)=SL/2+SL/2+SL%26;#215;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%26;#215;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%26;#215;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。
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