μC/OS-II任務棧處理的改進方法

已經有不少的文章介紹了有關μC/OS-II這個實時內核及其應用。在很多的處理器上，
μC/OS-II都得到了應用。μC/OS-II是一種源碼公開、可移植、可固化、可裁減、可剝奪的
實時多任務操作系統。特別適用于用戶任務較多，而對實時性要求較嚴格的場合。

　　μC/OS-II內核是一個占先式內核，用戶視任務的輕重緩急不同賦予任務不同的優先
級。一般來說，用戶任務的實時性要求越高，則應賦予的優先級也越高；對那些要求不甚嚴
格的任務，賦予的優先級應低一些。對突發事件，像A/D采樣后的數據讀取等，則應采用中
斷，實時響應，因而，中斷享有最高的優先級。優先級高的任務在進行調度時，優先得到資
源，因而能及時進入運行態運行；優先級低的得不到資源而進入就緒態，等待下一次任務調
度。由于任務優先級的唯一性，μC/OS-II內核能在不同任務間井然有序地調度運行。

　　μC/OS-II內核的功能強大，提供了用于共享資源的信號燈，用于進程通信的消息隊列
和郵箱等，是一個比較全面的系統。但有些地方仍然值得改進，比如該系統不支持時間片的
任務調度，因而一旦任務進入了死循環，調度程序無法調度，其它的任務也就得不到及時運
行處理。解決的方法也很簡單，只要在定時中斷服務程序中調用函數OSIntCtxSw()即可。

　　μC/OS-II內核的另外一個值得改進的地方是它的堆棧處理。為了確保運行的安全可
靠，μC/OS-II內核將每個任務的堆棧空間都按最大化處理，結果導致RAM的需求變大，往往
還需外擴RAM，而浪費過多。下面詳細討論如何改進μC/OS-II內核的堆棧結構設計。

1 μC/OS-II的堆棧結構

　　在堆棧的處理上，μC/OS-II為每個任務分配一個獨立的堆棧，堆棧空間按任務中最大
需求進行分配。這種方法可保證程序可靠運行，但卻是以浪費大量的空間為代價。對一些小
系統來說，沒有擴展外部RAM，內部RAM相當小，RAM的空間利用就非常重要了。下面就來探
討如何改進μC/OS內核，以達到減少任務棧的內存需求。

　　在μC/OS-II中，每個任務都定義了一個獨立的堆棧空間，這個堆棧空間用來存放任務
的相關信息，具體包括以下幾個部分（如圖1所示）：
◆ 任務中定義的局部變量及被調用函數可能在棧上分配的局部變量；
◆ 任務中各個函數的返回地址；
◆ 發生中斷時需要保存的上下文；
◆ 中斷嵌套時需要保存的上下文。
　　　　　　　
　　在這4個部分中，前3個的內存需求是比較容易估算的，只要察看反匯編代碼，并計算各
個函數的棧需求，留有一定的裕量就可以了。但是第4部分的棧空間使用量是隨中斷嵌套的
深度而不斷增加的，是不確定的，一般方法是定義一個充分大的棧空間，使之不會溢出。但
為每個任務都定義一個充分大的棧空間，會導致棧空間的浪費。如果將第4部分獨立出來，
單獨為它定義一個較大的空間，在任務棧中去掉原來的第4部分，這樣，就可大大減少棧空
間的浪費，減少對內存的需求。實際上，這是可行的。在μC/OS-II中，內核為中斷嵌套的
層數定義了一個全局變量OSIntNesting。系統在進行任務調度時，先要判斷OSIntNesting是
否為0，如果OSIntNesting不為0，則不進行任務切換。也就是說：在OSIntNesting為1（當
前只有一個中斷，并且沒有嵌套中斷）時，如果發生了嵌套的中斷（不管嵌套的層數有多
深），那么所有嵌套的中斷一層一層地都返回，直到OSIntNesting再次為1時止，任務棧是
不會切換的，棧指針始終在同一個任務的棧空間中變化。因而，可以為中斷嵌套單獨定義一
個中斷嵌套棧。在發生第1次中斷時，中斷服務程序將棧空間切換到中斷嵌套棧，這樣，以
后發生的嵌套中斷就一直使用這個棧空間。在中斷返回到第1次中斷時，即OSIntNesting為1
時，中斷服務程序再從中斷嵌套棧切換回任務棧。這樣就實現了中斷任務的切換，減少了內
存需求。下面以此思路，來進一步討論堆棧處理的結構設計。

2 μC/OS-II的堆棧改進設計

　　按上述設計，可設置中斷嵌套棧OSInterruptStk，對中斷服務程序做如下修改。
① 保存全部CPU寄存器。
② 直接將OSIntNesting加1。
增加：判斷OSIntNesting是否等于1，如果不是則轉到3。
增加：將棧指針SP保存到OSTCBCur->OSTCBStkPtr。
增加：將SP指向OSInterruptStk的棧頂（注意棧增長的方向）。
③ 執行用戶代碼做中斷服務。
④ 調用OSIntExit。
增加：判斷OSIntNesting是否等于0，如果不是則轉到5。
增加：從OSTCBCur->OSTCBStkPtr中恢復棧指針SP。
⑤ 恢復所有CPU寄存器。
⑥ 執行中斷返回指令。
此時，任務的堆棧分布情況如圖2所示。
這樣，就實現了中斷嵌套棧和任務棧的雙向切換。此外，還需修改OSIntCtxSw()函數，原始
的OSIntCtxSw()函數的寫法如下：
① 調整棧指針，去掉在調用OSIntExit()和OSIntCtxSw()過程中入棧的多余內容；
② 將當前棧指針保存到OSTCBCur中，即STCBCur->OSTCBStkPtr = SP；
③ 如果需要則調用OSTaskSwHook；
④OSTCBCur = OSTCBHighRdy；
⑤OSPrio = OSPrioHighRdy；
⑥ 從OSTCBCur中恢復棧指針，SP= OSTCBCur ->OSTCBStkPtr；
⑦ 恢復保存了的CPU寄存器；
⑧ 執行中斷返回指令。
　　　　　　
　　新的寫法只需將原寫法中的1、2去掉即可，因為1、2步只是保存舊任務的棧指針，而新
寫法中，這些步被移到了“中斷服務程序”中。作了上述修改后，原來在每個任務棧中都必
須的第4部分已被移到了中斷嵌套棧，實現了降低內存需求的目的。

結 語

　　μC/OS-II內核的堆棧處理適用于RAM存儲器充足，任務切換頻繁，對實時性要求嚴格的
場合，一般主要用在16位或32位微處理器較大的系統設計中。對于一般的小系統，由于RAM
空間有限，任務不多，切換也不是太頻繁，因而，在堆棧處理上可以采用中斷嵌套棧。這大
大減少了對RAM存儲器的需求，不但簡化了硬件設計，而且還降低了成本。