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[導(dǎo)讀]已經(jīng)有不少的文章介紹了有關(guān)μC/OS-II這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核及其應(yīng)用。在很多的處理器上, μC/OS-II都得到了應(yīng)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。特別適用于用戶任

已經(jīng)有不少的文章介紹了有關(guān)μC/OS-II這個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核及其應(yīng)用。在很多的處理器上,
μC/OS-II都得到了應(yīng)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。特別適用于用戶任務(wù)較多,而對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的場合。

  μC/OS-II內(nèi)核是一個(gè)占先式內(nèi)核,用戶視任務(wù)的輕重緩急不同賦予任務(wù)不同的優(yōu)先
級。一般來說,用戶任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求越高,則應(yīng)賦予的優(yōu)先級也越高;對那些要求不甚嚴(yán)
格的任務(wù),賦予的優(yōu)先級應(yīng)低一些。對突發(fā)事件,像A/D采樣后的數(shù)據(jù)讀取等,則應(yīng)采用中
斷,實(shí)時(shí)響應(yīng),因而,中斷享有最高的優(yōu)先級。優(yōu)先級高的任務(wù)在進(jìn)行調(diào)度時(shí),優(yōu)先得到資
源,因而能及時(shí)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)運(yùn)行;優(yōu)先級低的得不到資源而進(jìn)入就緒態(tài),等待下一次任務(wù)調(diào)
度。由于任務(wù)優(yōu)先級的唯一性,μC/OS-II內(nèi)核能在不同任務(wù)間井然有序地調(diào)度運(yùn)行。

  μC/OS-II內(nèi)核的功能強(qiáng)大,提供了用于共享資源的信號燈,用于進(jìn)程通信的消息隊(duì)列
和郵箱等,是一個(gè)比較全面的系統(tǒng)。但有些地方仍然值得改進(jìn),比如該系統(tǒng)不支持時(shí)間片的
任務(wù)調(diào)度,因而一旦任務(wù)進(jìn)入了死循環(huán),調(diào)度程序無法調(diào)度,其它的任務(wù)也就得不到及時(shí)運(yùn)
行處理。解決的方法也很簡單,只要在定時(shí)中斷服務(wù)程序中調(diào)用函數(shù)OSIntCtxSw()即可。

  μC/OS-II內(nèi)核的另外一個(gè)值得改進(jìn)的地方是它的堆棧處理。為了確保運(yùn)行的安全可
靠,μC/OS-II內(nèi)核將每個(gè)任務(wù)的堆棧空間都按最大化處理,結(jié)果導(dǎo)致RAM的需求變大,往往
還需外擴(kuò)RAM,而浪費(fèi)過多。下面詳細(xì)討論如何改進(jìn)μC/OS-II內(nèi)核的堆棧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 μC/OS-II的堆棧結(jié)構(gòu)

  在堆棧的處理上,μC/OS-II為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)獨(dú)立的堆棧,堆??臻g按任務(wù)中最大
需求進(jìn)行分配。這種方法可保證程序可靠運(yùn)行,但卻是以浪費(fèi)大量的空間為代價(jià)。對一些小
系統(tǒng)來說,沒有擴(kuò)展外部RAM,內(nèi)部RAM相當(dāng)小,RAM的空間利用就非常重要了。下面就來探
討如何改進(jìn)μC/OS內(nèi)核,以達(dá)到減少任務(wù)棧的內(nèi)存需求。

  在μC/OS-II中,每個(gè)任務(wù)都定義了一個(gè)獨(dú)立的堆??臻g,這個(gè)堆棧空間用來存放任務(wù)
的相關(guān)信息,具體包括以下幾個(gè)部分(如圖1所示):
◆ 任務(wù)中定義的局部變量及被調(diào)用函數(shù)可能在棧上分配的局部變量;
◆ 任務(wù)中各個(gè)函數(shù)的返回地址;
◆ 發(fā)生中斷時(shí)需要保存的上下文;
中斷嵌套時(shí)需要保存的上下文。
       
  在這4個(gè)部分中,前3個(gè)的內(nèi)存需求是比較容易估算的,只要察看反匯編代碼,并計(jì)算各
個(gè)函數(shù)的棧需求,留有一定的裕量就可以了。但是第4部分的??臻g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(gè)充分大的??臻g,使之不會溢出。但
為每個(gè)任務(wù)都定義一個(gè)充分大的??臻g,會導(dǎo)致??臻g的浪費(fèi)。如果將第4部分獨(dú)立出來,
單獨(dú)為它定義一個(gè)較大的空間,在任務(wù)棧中去掉原來的第4部分,這樣,就可大大減少???br /> 間的浪費(fèi),減少對內(nèi)存的需求。實(shí)際上,這是可行的。在μC/OS-II中,內(nèi)核為中斷嵌套的
層數(shù)定義了一個(gè)全局變量OSIntNesting。系統(tǒng)在進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí),先要判斷OSIntNesting是
否為0,如果OSIntNesting不為0,則不進(jìn)行任務(wù)切換。也就是說:在OSIntNesting為1(當(dāng)
前只有一個(gè)中斷,并且沒有嵌套中斷)時(shí),如果發(fā)生了嵌套的中斷(不管嵌套的層數(shù)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(shí)止,任務(wù)棧是
不會切換的,棧指針始終在同一個(gè)任務(wù)的??臻g中變化。因而,可以為中斷嵌套單獨(dú)定義一
個(gè)中斷嵌套棧。在發(fā)生第1次中斷時(shí),中斷服務(wù)程序?qū)?臻g切換到中斷嵌套棧,這樣,以
后發(fā)生的嵌套中斷就一直使用這個(gè)??臻g。在中斷返回到第1次中斷時(shí),即OSIntNesting為1
時(shí),中斷服務(wù)程序再從中斷嵌套棧切換回任務(wù)棧。這樣就實(shí)現(xiàn)了中斷任務(wù)的切換,減少了內(nèi)
存需求。下面以此思路,來進(jìn)一步討論堆棧處理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 μC/OS-II的堆棧改進(jìn)設(shè)計(jì)

  按上述設(shè)計(jì),可設(shè)置中斷嵌套棧OSInterruptStk,對中斷服務(wù)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(zhuǎn)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(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)。
④ 調(diào)用OSIntExit。
增加:判斷OSIntNesting是否等于0,如果不是則轉(zhuǎn)到5。
增加:從OSTCBCur->OSTCBStkPtr中恢復(fù)棧指針SP。
⑤ 恢復(fù)所有CPU寄存器。
⑥ 執(zhí)行中斷返回指令。
此時(shí),任務(wù)的堆棧分布情況如圖2所示。
這樣,就實(shí)現(xiàn)了中斷嵌套棧和任務(wù)棧的雙向切換。此外,還需修改OSIntCtxSw()函數(shù),原始
的OSIntCtxSw()函數(shù)的寫法如下:
① 調(diào)整棧指針,去掉在調(diào)用OSIntExit()和OSIntCtxSw()過程中入棧的多余內(nèi)容;
② 將當(dāng)前棧指針保存到OSTCBCur中,即STCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
③ 如果需要則調(diào)用OSTaskSwHook;
④OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
⑤OSPrio = OSPrioHighRdy;
⑥ 從OSTCBCur中恢復(fù)棧指針,SP= OSTCBCur ->OSTCBStkPtr;
⑦ 恢復(fù)保存了的CPU寄存器;
⑧ 執(zhí)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?yàn)?、2步只是保存舊任務(wù)的棧指針,而新
寫法中,這些步被移到了“中斷服務(wù)程序”中。作了上述修改后,原來在每個(gè)任務(wù)棧中都必
須的第4部分已被移到了中斷嵌套棧,實(shí)現(xiàn)了降低內(nèi)存需求的目的。

結(jié) 語

  μC/OS-II內(nèi)核的堆棧處理適用于RAM存儲器充足,任務(wù)切換頻繁,對實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的
場合,一般主要用在16位或32位微處理器較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。對于一般的小系統(tǒng),由于RAM
空間有限,任務(wù)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(shè)計(jì),而且還降低了成本。

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