setjmp構(gòu)建簡單協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)

  摘要：討論一個(gè)利用標(biāo)準(zhǔn)C語言setjmp庫函烽實(shí)現(xiàn)查詢式協(xié)作多任務(wù)系統(tǒng)，給出完整的內(nèi)核和樣例程序并對(duì)源代碼進(jìn)行說明。該系統(tǒng)具有簡單易用的特點(diǎn)，只需要編寫存取堆棧指針的宏就可方便地移植到新的平臺(tái)上。文章詳述了系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，討論一些性能擴(kuò)展的方法。該內(nèi)核適用于中小規(guī)模的嵌入式軟件。

    關(guān)鍵詞：協(xié)作式多任務(wù) C語言 setjmp

引言

本文介紹的是利用標(biāo)準(zhǔn)C語言setjmp庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)的具備此特點(diǎn)的協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)。從本質(zhì)上講，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)該具備按照優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度的內(nèi)核。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，搶中式的多任務(wù)某種程序上帶來了用戶程序設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)保護(hù)的困難，并且，具備搶占功能的多任務(wù)內(nèi)核設(shè)計(jì)時(shí)困難也比較多，這會(huì)增加操作系統(tǒng)自身的代碼，也使它在小資源單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較少；而協(xié)作多任務(wù)系統(tǒng)的調(diào)度只在用戶指定的時(shí)機(jī)發(fā)生，這會(huì)大大簡化內(nèi)核和用戶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，尤其本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)通過條件查詢來放棄CPU，既符合傳統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的思維，又帶來了多任務(wù)、模塊化、可重入的編程便利。

Setjmp是標(biāo)準(zhǔn)C語言庫函數(shù)的組成部分，它可以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行中的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)操作。具體來說，它可以在一個(gè)函數(shù)中使用setjmp來初始化一個(gè)全局標(biāo)號(hào)，然后只要該函數(shù)未曾返回，那么在其它任何地方都可以通過longjmp調(diào)用來跳轉(zhuǎn)到setjmp的下一條語句執(zhí)行。實(shí)際上，setjmp函數(shù)將發(fā)生調(diào)用處的局部環(huán)境保存在一個(gè)jmp_buf的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，只要主調(diào)函數(shù)中對(duì)應(yīng)的內(nèi)存未曾釋放（函數(shù)返回時(shí)局部內(nèi)存就失效了），那么在調(diào)用longjmp的時(shí)候就可以根據(jù)已保存的jmp_buf參數(shù)恢復(fù)到setjmp的地方執(zhí)行。我們的系統(tǒng)中就是分析了setjmp標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的特點(diǎn)，以簡單的方式實(shí)現(xiàn)了協(xié)作式多任務(wù)。

1 演示程序

為了便于理解，首先給出多任務(wù)演示程序的源代碼。這個(gè)程序演示了協(xié)作式多任務(wù)切換、任務(wù)的動(dòng)態(tài)生成、多任務(wù)共用代碼等功能，一共使用了init_coos初始化根任務(wù)（也就是C語言main函數(shù)）、creat_task創(chuàng)建新任務(wù)和WAITFOR查詢條件這3個(gè)基本的系統(tǒng)調(diào)用。由于面向嵌入式系統(tǒng)，因而程序不會(huì)中止并且運(yùn)行中也沒有進(jìn)行任何輸出，需要借助適合的調(diào)試工具來理解多任務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行。

example.c文件清單：

#include<stdlib.h>

#include“co-os.h”

void tskfunc1(int argc,void *argv);

void tskfunc2(int argc,void *argv);

void subfunc(void);

volatile int cnt,test;

int main(void){

int i;

init_coos(400);

creat_tsk(tskfunc1,12,NULL,400);

creat_tsk(tskfunc2,0,NULL,400);

i=0；

while(1){

WAITFOR(cnt= =8);

while(i++<cnt)test=i;

cnt++;

}

}

void tskfunc1(int argc,void *argv){

int i;

static int creat=0;

if(!creat){

creat_tsk(tskfunc1,9,NULL,400);

creat=1;

}

i=0；

while(1){

WAITFOR(cnt>argc);

test=0x55;

/*使用函數(shù)調(diào)用在子程序中測(cè)試WAITFOR*/

subfunc()；

while(i++<cnt)test=i^0xAA;

}

}

void tskfunc2(int argc,void *argv){

while(1){

WAITFOR(++cnt>15);

cnt=0;

}

}

void subfunc(void){

int i;

WAITFOR(cnt<5);

for(i=0;i<++)test=0x10*i；

}

2 內(nèi)核構(gòu)成

內(nèi)核包括一個(gè)供外部用戶程序包含的頭文件（co-os.h）和具體實(shí)現(xiàn)的源文件（co-os.c），它們提供了演示程序中用到的3個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。

內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)代碼假定了CPU堆棧是向下增長的，并且通過宏來直接操作堆棧指針。以下代碼在Microsoft VC6 for x86、Borland C++ Builder 5.5、SDS CrossCode7.0 for 68K和GCC3.2 for AVR四種平臺(tái)中測(cè)試過，只需在co-os.h頭文件中定義相應(yīng)的平臺(tái)類型即可順利編譯。

（1）co-os.h文件清單

#include<setjmp.h>

/*選擇X86_VC6，X86_BC5，AVR_GCC或M68H_SDS.*/

#define X86_VC6

#define MAX_TSK 10

typedef struct {

void (*entry)(int argc,void *argv);

jmp_buf env;

int argc;

void *argv;

}TVB;

extern TCB tcb[MAX_TSK];

extern int task_num,tskid;

void init_coos(int mainstk);

int creat_tsk(void(*entry)(int argc,void *argv),int argc,void *argv,int stksize);

#define WAITFOR(condition)do{

setjmp(tcb[tskid].env);

if(!(condition)){

tskid++;

if(tskid>=task_num)tskid=0;

longijmp(tcb[tskid].env,1);

}

}while(0)

(2)co-os.c文件清單

#include "co-os.h"

#if defined(X86_VC6)||defined(X86_BC5)

#define SAVE_SP(p) _asm mov p,esp

#define RESTORE_SP(p) _asm mov esp,p

#elif defined(AVR_GCC)

#include<io.h>

#define SAVE_SP(p) p=(int*)SP

#define RESTORE_SP(p) SP=(int)p

#elif defined(M68K_SDS)

#define SAVE_SP(p) asm("MOVE.L A7,{"#p"}")

#define RESTORE_SP(p) asm("MOVE.L {"#p"},A7")

#endif

TCB tcb[MAX_TSK];

Int task_num=1;

Int tskid;

Static int stktop,oldsp;

Void init_coos(int mainstk){

SAVE_SP(stktop);

stktop=stktop+sizeof(void(*)(void))/sizeof(int)

-(mainstk+sizeof(int)-1)/sizeof(int);

}

int creat_tsk(void(*entry)(int argc,void *argv),

int argc,void *argv,int stksize){

if(task_num>=MAX_TSK)terurn-1;

SAVE_SP(oldsp);

RESTORE_SP(stktop);

If(!setjmp(tcb[task_num].env)){

RESTORE_SP(oldsp);

tcb[task_num].entry=entry;

tcb[task_num].argc=argc;

tcb[task_num].argv=argv;

task_num++;

stktop-=(stksize+sizeof(int)-1)/sizeof(int);

}

else tcb[tskid].entry(tcb[tskid].argc,tcb[tskid].argv);

return 0;

}

3 代碼說明

任務(wù)代碼通過執(zhí)行setjmp設(shè)置本任務(wù)下次查詢時(shí)的返回點(diǎn)，然后在等待條件放棄掉CPU跳轉(zhuǎn)到下一任務(wù)的返回點(diǎn)處執(zhí)行。如此周而復(fù)始，讓各任務(wù)都獲得輪轉(zhuǎn)運(yùn)行的機(jī)會(huì)，也要求各任務(wù)都需要主動(dòng)通過等待條件的方式放棄掉CPU。系統(tǒng)中除了中斷服務(wù)程序之外，所有任務(wù)都是平等的，都應(yīng)該遵循同樣的規(guī)則和其它任務(wù)一起協(xié)作運(yùn)行?；鞠到y(tǒng)中沒有設(shè)計(jì)殺死任務(wù)的調(diào)用，這要求各任務(wù)都應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成某種形式的無限循環(huán)。

任務(wù)中等待的條件可以是任務(wù)復(fù)雜的表達(dá)式或都函數(shù)調(diào)用，也可以是中斷服務(wù)程序設(shè)置的全局變量（注意加volatile定義）。一般在任務(wù)執(zhí)行時(shí)會(huì)讓下次等待的條件不再滿足，避免某個(gè)任務(wù)一直霸占CPU將系統(tǒng)餓死。在嵌入式軟件中還經(jīng)常會(huì)遇到任務(wù)定時(shí)啟動(dòng)和超時(shí)等待在I/O操作上，在我們的系統(tǒng)中可以維護(hù)一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器，只需在適當(dāng)?shù)牡胤接涗洉r(shí)刻，然后在任務(wù)查詢條件中判斷當(dāng)前計(jì)數(shù)器和記錄時(shí)刻之間的差值就可以了。

內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的代碼則相當(dāng)簡法。由于主要的保護(hù)和恢復(fù)任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)的工作都由C語言標(biāo)準(zhǔn)庫setjmp實(shí)現(xiàn)了，我們就只需要操縱一下堆棧指針防止不同的任務(wù)使用了重疊的局部環(huán)境，這個(gè)工作在初始化和創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候通過預(yù)定義的兩個(gè)宏來實(shí)現(xiàn)。在init_coos函數(shù)中，記錄了主任務(wù)（main函數(shù)）保留mainstk字節(jié)堆棧后的新棧頂位置（stktop），然后在每次creat_task時(shí)都根據(jù)要求為每個(gè)任務(wù)保留stksize字節(jié)的堆棧并重新計(jì)算下一個(gè)stktop。在creat_task函數(shù)中利用了setjmp函數(shù)的返回值（直接返回時(shí)為0，longjmp跳轉(zhuǎn)返回時(shí)非0），使得一方面creat_task能正?；氐秸{(diào)用者，又讓下次輪轉(zhuǎn)到新任務(wù)時(shí)能夠找到創(chuàng)建時(shí)的入口。

co-os.h中定義的WAITFOR使用了一個(gè)do{…while(0)實(shí)現(xiàn)多語句宏的C語言小技巧，這樣能保證在任何情況下WAITFOR都可以如單條語句一樣在源程序中使用，需要擔(dān)心多了或者少了大括弧破壞if/else匹配之類的問題，并且，所有的編譯器都會(huì)優(yōu)化掉這個(gè)假循環(huán)。

為了盡量使程序簡單并說明問題，以上代碼中沒有考慮中斷相關(guān)的數(shù)據(jù)保護(hù)問題。實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)中，如果首先寫堆棧指針不能一步完成（如AVR這樣的8位機(jī)），那么，在寫操作正在進(jìn)行的時(shí)候絕對(duì)不能允許中斷；另外，在任務(wù)中查詢的條件如果和中斷有關(guān)，那么也必須考慮數(shù)據(jù)的完整性。

4 性能分析

所有的協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)中任務(wù)切換時(shí)間都和用戶代碼（是否長期占用CPU）、就緒時(shí)刻有關(guān)，比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)略差的是，我們的簡單系統(tǒng)中不支持任務(wù)優(yōu)先級(jí)，并且完成一輪查詢調(diào)度的時(shí)間還和任務(wù)數(shù)目有關(guān)。這也是為了達(dá)到簡單和可移植性目標(biāo)而不得已作出的犧牲。在各任務(wù)間切換查詢條件通過C語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)longjmp實(shí)現(xiàn)，一般來講longjmp函數(shù)要從內(nèi)存中恢復(fù)大部分CPU寄存器，執(zhí)行它也需要若干條指令的時(shí)間。

為了面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，任務(wù)控制塊（TCB）采用靜態(tài)數(shù)組來實(shí)現(xiàn)，這樣要求預(yù)先確定系統(tǒng)的最大任務(wù)數(shù)（co-os.h中的MAX_TSK）。如果需要，也可以通過環(huán)波鏈表來動(dòng)態(tài)管理任務(wù)控制塊（TCB），這時(shí)可以簡單實(shí)現(xiàn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和刪除，并且通過指針來訪問TCB也要比通過下標(biāo)（tskid）略快一點(diǎn)。

在某些情況下，如果在中斷返回后需要執(zhí)行某關(guān)鍵任務(wù)，可以考慮通過設(shè)置“高級(jí)中斷”的方法來實(shí)現(xiàn)。具體地講，就是在中斷返回前改變返回地址到某函數(shù)入口（“高級(jí)中斷服務(wù)程序”），同時(shí)保留原返回地址到堆棧中，這樣在“高級(jí)中斷服務(wù)程序”完成后執(zhí)行return就又回到了正常的多任務(wù)查詢流程。使用“高級(jí)中斷”時(shí)要注意現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)的銜接，并且這種技巧顯然和CPU和體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。

5 結(jié)論

setjmp是標(biāo)準(zhǔn)C語言中用于遠(yuǎn)程跳轉(zhuǎn)的庫函數(shù)，利用它可方便實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單易移植的協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完備、編程簡單、易于學(xué)習(xí)，適合一些中小規(guī)模的嵌入式軟件使用；并且，以此為基礎(chǔ)，還可以用一些與平臺(tái)相關(guān)的編程技巧提高其實(shí)時(shí)性和靈活性。