干貨 || 嵌入式實時系統(tǒng)中局部變量和全局變量

轉(zhuǎn)載自公眾號「有思考的人」，作者：ksj

一、首先簡要介紹局部變量和全局變量區(qū)別

（1）作用域

全局變量具有全局作用域，適用于所有源文件。但在不包含全局變量定義的文件中，需使用extern關(guān)鍵字聲明這個全局變量后，方可正常使用。

靜態(tài)全局變量也具有全局作用域。它與全局變量的區(qū)別是，它僅僅作用于定義它的文件，程序中其他文件不可用。

局部變量只有局部作用域。只在函數(shù)執(zhí)行期間存在，當(dāng)函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，變量將被撤銷，其所占用內(nèi)存被收回。

靜態(tài)局部變量只有局部作用域。它從初始化到函數(shù)運行結(jié)束一直存在，在整個程序運行期間一直有效。它與全局變量的區(qū)別在于，全局變量對所有函數(shù)可見，而靜態(tài)局部變量只對自己的函數(shù)始終可見。

（2）存儲空間

全局變量、靜態(tài)全局變量、靜態(tài)局部變量都在靜態(tài)存儲區(qū)分配空間，而局部變量在棧分配空間。

二、Cortex-M3內(nèi)核中MSP/PSP

1、在CM3處理器中有兩個堆棧指針MSP/PSP，這兩個都是R13/SP，R13是Banked。

MSP：它有OS內(nèi)核、異常服務(wù)歷程以及所有需要特權(quán)訪問的應(yīng)用程序代碼訪問。程序復(fù)位默認(rèn)使用MSP。

PSP：用于常規(guī)的應(yīng)用程序代碼。

通過CM3的CONTROL寄存器可選擇當(dāng)前使用哪個堆棧指針。

2、

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上圖1所示為未使用OS時，堆棧的使用情況。

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上圖2所示為使用OS時，堆棧的使用情況。

3、使用OS時，MSP及PSP跳轉(zhuǎn)狀態(tài)及任務(wù)堆棧切換時變化

1）任務(wù)切換前的狀態(tài)

假設(shè)系統(tǒng)中有兩個任務(wù)，Task1和Task2，Task1是當(dāng)前正在運行的任務(wù)（由OSTCBCur指出），Task2處于掛起狀態(tài)。

那么進(jìn)入OS_CPU_PendSVHandler中斷前，堆棧狀態(tài)如下圖所示。

CPU處于線程狀態(tài)，使用PSP堆棧工作，PSP指向Task1的堆棧。

CPU中的各寄存器是Task1當(dāng)前任務(wù)的寄存器值。

Task2處于掛起狀態(tài)，Task2的堆棧指針由TCB2的SP變量保存著。在Task2的堆棧底部，保存有兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，一部分是CPU中斷時自動保存到堆棧的寄存器變量（包括xPSR,PC,LR,R12,R0~R3），另一部分是uCOS額外保存的寄存器變量(R4~R11)，這些寄存器保存了Task2掛起前的所有數(shù)據(jù)。

2）任務(wù)切換后進(jìn)入中斷例程時的狀態(tài)

當(dāng)條件變化導(dǎo)致Task1需要切換到Task2時（OSTCBHighRdy會指向Task2的TCB2），PendSV中斷被激發(fā)。

進(jìn)入OS_CPU_PendSVHandler中斷時，根據(jù)Cortex-M3的中斷流程，一部分動作由CPU自動執(zhí)行：

CPU將xPSR,PC,LR,R12,R0~R3自動保存到當(dāng)前堆棧，由于PSP是指向Task1的堆棧的，所以這些寄存器會自動保存到Task1的堆棧中。

CPU切換到Handler模式，使用MSP作為中斷例程的工作堆棧。

PC指向中斷例程，執(zhí)行中斷例程。

進(jìn)入OS_CPU_PendSVHandler中斷時，堆棧狀態(tài)如下圖所示：

3）uCOS保存當(dāng)前任務(wù)現(xiàn)場后的狀態(tài)

進(jìn)入OS_CPU_PendSVHandler后，由于CPU只自動保存了部分寄存器值，uCOS需要將其余寄存器也保存下來，以便切回任務(wù)時能完整恢復(fù)現(xiàn)場。

OS_CPU_PendSVHandler會根據(jù)PSP的值得到Task1的堆棧底部，然后將額外的寄存器R4~R11保存到Task1的堆棧底部。

并且將更新后的Task1的堆棧值保存到TCB1的SP變量中。

OS_CPU_PendSVHandler保存完當(dāng)前任務(wù)數(shù)據(jù)后的堆棧狀態(tài)如下圖所示：

4）uCOS恢復(fù)目標(biāo)任務(wù)數(shù)據(jù)后的狀態(tài)

之后OS_CPU_PendSVHandler需要恢復(fù)Task2任務(wù)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

OS_CPU_PendSVHandler從OSTCBHighRdy獲取需要切換到的任務(wù)塊（此時其等于TCB2），然后從TCB2的SP變量獲取該任務(wù)的堆棧指針。

得到Task2的堆棧指針后，OS_CPU_PendSVHandler從其堆棧底部恢復(fù)R4~R11寄存器的值（這部分是先前由uCOS保存的），然后調(diào)整CPU的PSP指針指向Task2堆棧中先前CPU自動保存數(shù)據(jù)的地方，如下圖所示。

此時CPU的R4~R11寄存器已恢復(fù)為Task2掛起前的值，但R0~R3、R12、LR、PC、xPSR這些尚未恢復(fù)，后面這些寄存器將在中斷返回時由CPU自動恢復(fù)。

最后OS_CPU_PendSVHandler調(diào)用BX LR執(zhí)行中斷返回（LR中的值是EXC_RETURN值，以通知CPU做中斷返回動作）。

OS_CPU_PendSVHandler在中斷返回前的堆棧狀態(tài)如下：

5）uCOS從中斷返回，完成任務(wù)切換后的狀態(tài)

OS_CPU_PendSVHandler調(diào)用BX LR后，由CPU完成剩余的現(xiàn)場恢復(fù)：

CPU從PSP堆棧中恢復(fù)xPSR,PC,LR,R12,R0~R3這些寄存器的值，由于PSP已指向了Task2的堆棧，所以這些寄存器的值被恢復(fù)為Task2堆棧中的值，即Task2任務(wù)掛起前的寄存器值。

CPU的PC值也從堆棧中恢復(fù)到Task2任務(wù)被中斷時的PC值。

CPU退出Handler模式，切換到線程模式，重新使用PSP堆棧作為工作堆棧（此時PSP已指向Task2的堆棧)，使用Task2的堆棧作為工作堆棧。

CPU已恢復(fù)到Task2掛起前的現(xiàn)場，從Task2被中斷的PC處繼續(xù)運行。

對比任務(wù)切換前的狀態(tài)，Task1與Task2的狀態(tài)完全對調(diào)了，所以完成了Task1與Task2的切換。

中斷返回后，完成Task2任務(wù)切換的堆棧狀態(tài)如下圖所示：