Qsys與uC/OS-II學(xué)習(xí)筆記5：任務(wù)切換

　　上個(gè)筆記提到調(diào)用任務(wù)延時(shí)函數(shù)后，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行任務(wù)切換，否則當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)就會(huì)一直霸占著CPU的使用權(quán)。那么這個(gè)任務(wù)延時(shí)函數(shù)中到底有什么奧秘?調(diào)用它為什么能夠讓任務(wù)切換自如?這個(gè)筆記咱就要揭開(kāi)uC/OS-II的一大設(shè)計(jì)精髓——任務(wù)切換。

　　特權(quán)同學(xué)并非軟件工程或是計(jì)算機(jī)科班出身，還真沒(méi)學(xué)過(guò)什么操作系統(tǒng)，對(duì)于CPU內(nèi)部架構(gòu)和工作機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)完全靠自身的實(shí)踐、摸索加一些教科書(shū)的研讀。對(duì)于一些概念的闡述或許不夠?qū)I(yè)，如果有些偏差也非常歡迎大家提出來(lái)加以糾正，但是我想這些“草根”式的圖文或許多少能夠幫助大家快速的理解和認(rèn)識(shí)一些工作機(jī)理，但愿“八九不離十”應(yīng)該是形容這種狀態(tài)比較合適的詞匯吧。其實(shí)如果能起到這樣的效果，那么對(duì)這些文章而言也就足夠。畢竟一板一眼、中規(guī)中矩的教科書(shū)我們看得太多了，真的是有些審美疲勞了。

　　因?yàn)橐f(shuō)任務(wù)調(diào)度的機(jī)理，那么我們不得不先把幾乎所有嵌入式處理器相關(guān)的書(shū)籍中都會(huì)提及的中斷概念再提一下。雖然講中斷的書(shū)滿大街都是，但是我想像圖1這樣一個(gè)簡(jiǎn)單示意圖就能夠把中斷說(shuō)清楚的還真不多(怎么有點(diǎn)“王婆賣瓜自賣自夸”的嫌疑，臉紅中~~)。一個(gè)“裸奔”的CPU軟件，無(wú)非就是一個(gè)main函數(shù)里面while(1)中包辦所有功能，偶爾來(lái)個(gè)中斷響應(yīng)一些實(shí)時(shí)性要求較高的處理，僅此而已。那么，很顯然，中斷響應(yīng)時(shí)有一個(gè)脫離當(dāng)前main函數(shù)的舉動(dòng)發(fā)生，想要讓中斷響應(yīng)前后CPU回到原有的main函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)，則必須有一些額外的工作要干，第3和6步的出棧、入棧便是。這個(gè)示意圖中，大家需要明白，當(dāng)某個(gè)函數(shù)或某些指令占用CPU時(shí)，意味著CPU中的寄存器存儲(chǔ)著和當(dāng)前處理狀態(tài)相關(guān)的各種中間數(shù)據(jù)信息;同樣的道理，當(dāng)中斷函數(shù)占有CPU數(shù)據(jù)時(shí)，CPU中的寄存器存儲(chǔ)著和中斷函數(shù)相關(guān)的各種中間數(shù)據(jù)。堆棧是專門開(kāi)辟的一片存儲(chǔ)空間，用于和CPU寄存器相映射。一個(gè)在main函數(shù)中運(yùn)行著的程序(包括在它的子函數(shù)中運(yùn)行)，如果被一個(gè)中斷信號(hào)打斷后去執(zhí)行中斷處理，最后返回，這樣一個(gè)過(guò)程，發(fā)生了以下一些事情：

　　1. 應(yīng)用程序(即Main函數(shù))中執(zhí)行某條指令，此時(shí)應(yīng)用程序控制CPU的使用權(quán)，表現(xiàn)為占有CPU寄存器。

　　2. 一個(gè)中斷源產(chǎn)生，應(yīng)用程序停下了CPU的使用。

　　3. 應(yīng)用程序停下來(lái)那一刻的CPU寄存器內(nèi)容被copy到堆棧中，即我們稱之為入棧操作。

　　4. 程序轉(zhuǎn)到中斷處理函數(shù)執(zhí)行，表現(xiàn)為即將到來(lái)的下一時(shí)刻中斷處理函數(shù)占有CPU使用權(quán)。

　　5. 中斷處理函數(shù)擁有CPU使用權(quán)，表現(xiàn)為占有CPU寄存器，直到中斷處理函數(shù)執(zhí)行完成。

　　6. CPU寄存器恢復(fù)執(zhí)行入棧操作前的狀態(tài)，即從堆棧中copy之前入棧的信息，我們稱之為出棧。

　　7. 應(yīng)用程序回到中斷前的下一條指令開(kāi)始執(zhí)行，雖然經(jīng)過(guò)2-6步的“意外事件”，但是除了應(yīng)用程序比預(yù)期延時(shí)了一小段時(shí)間執(zhí)行外，好像這個(gè)“意外事件”沒(méi)有發(fā)生過(guò)一樣。

　　圖1

　　再來(lái)看uC/OS-II中的任務(wù)切換是如何實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)該說(shuō)，和傳統(tǒng)CPU的中斷機(jī)制有著異曲同工之妙。說(shuō)白了，uC/OS-II其實(shí)也是假借中斷之名偷梁換柱般完成了任務(wù)的切換。因?yàn)閡C/OS-II中的每個(gè)task都好比“裸奔”著的軟件程序中的main函數(shù)，他們都有機(jī)會(huì)獨(dú)立的占用CPU的使用權(quán)。Task的寫法通常有兩種：

　　void user_task(void* pdata)

　　{

　　while (1)

　　{

　　//用戶代碼

　　}

　　}

　　或者

　　void user_task(void* pdata)

　　{

　　//用戶代碼

　　OSTaskDel(OS_PRIO_SELF); //刪除當(dāng)前任務(wù)

　　}

　　前者我們已經(jīng)接觸過(guò)，在用戶代碼的最后我們通常也會(huì)加上任務(wù)延時(shí)函數(shù)，讓出CPU的控制權(quán)。而后者相當(dāng)于一次性完成的任務(wù)，執(zhí)行過(guò)一次該任務(wù)后，自我刪除，從此銷聲匿跡，除非該任務(wù)在其他任務(wù)函數(shù)中被重新建立恢復(fù)。

　　OSTaskDel();函數(shù)

　　INT8U OSTaskDel (INT8U prio);

　　當(dāng)任務(wù)創(chuàng)建并由OSStart()函數(shù)啟動(dòng)后，要么處于運(yùn)行態(tài)(同一時(shí)刻有且只有一個(gè)運(yùn)行態(tài)的任務(wù))，要么處于就緒態(tài)，如果處于某個(gè)正在運(yùn)行的任務(wù)使用OSTaskDel()函數(shù)刪除了該任務(wù)本身或者其他任務(wù)(空閑任務(wù)OSTaskIdle()是唯一不能被刪除的任務(wù))，那么被刪除的任務(wù)并不是從存儲(chǔ)代碼的程序中物理消失了，這段代碼還在，只不過(guò)它已經(jīng)不在任務(wù)切換優(yōu)先級(jí)列表中了，以后的任務(wù)切換中不會(huì)考慮運(yùn)行該任務(wù)，我們說(shuō)這種狀態(tài)叫做休眠態(tài)，如果要從休眠態(tài)喚醒到就緒態(tài)，則需要重新創(chuàng)建該函數(shù)。

　　OSTaskIdle()函數(shù)

　　空閑任務(wù)是在OSInit();函數(shù)中被建立的，看這個(gè)函數(shù)的具體內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)它其實(shí)并沒(méi)有干什么大事，無(wú)非是在那里“消磨時(shí)間”，也的確是這樣。但uC/OS-II中必須建立空閑函數(shù)，而且它的優(yōu)先級(jí)一定是最低的，至于為什么，我們接下來(lái)先講講任務(wù)切換的機(jī)理，然后大家很容易就能明白的。

　　void OS_TaskIdle (void *p_arg)

　　{

　　#if OS_CRITICAL_METHOD == 3 /* Allocate storage for CPU status register */

　　OS_CPU_SR cpu_sr = 0;

　　#endif

　　(void)p_arg; /* Prevent compiler warning for not using 'p_arg' */

　　for (;;) {

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　OSIdleCtr++;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　OSTaskIdleHook(); /* Call user definable HOOK */

　　}

　　}

　　如圖2所示，這便是任務(wù)切換的大體流程。和中斷很相似，這里假設(shè)task1要切換到task2，task1中一定會(huì)調(diào)用任務(wù)延時(shí)函數(shù)(上一個(gè)筆記已經(jīng)提到，這是任務(wù)切換的必要條件)，咱還是簡(jiǎn)單的12345把它說(shuō)明白：

　　1. Task1擁有CPU的控制權(quán)，當(dāng)前CPU寄存器存儲(chǔ)著和task1當(dāng)前執(zhí)行指令相關(guān)的信息。

　　2. Task1調(diào)用了任務(wù)延時(shí)函數(shù)。

　　3. CPU寄存器的數(shù)據(jù)信息被copy到了堆棧中，即入棧，這個(gè)堆棧是task1獨(dú)有的，圣神不可侵犯。

　　4. 把Task2獨(dú)有的堆棧數(shù)據(jù)信息paste到CPU寄存器中，即出棧，這是要恢復(fù)task2在上一次擁有CPU控制權(quán)的最后一條執(zhí)行指令留下的現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)然也可能task2之前未曾擁有過(guò)CPU控制權(quán)，沒(méi)關(guān)系，那么默認(rèn)這個(gè)堆棧是應(yīng)該是個(gè)空的。

　　5. 模擬產(chǎn)生了一個(gè)軟中斷源產(chǎn)生，任務(wù)延時(shí)函數(shù)被中斷，停止繼續(xù)執(zhí)行。

　　6. 模擬中斷處理函數(shù)，大概這個(gè)函數(shù)中什么都不做，為的是有一個(gè)中斷返回的動(dòng)作(還真有點(diǎn)買櫝還珠的味道)。

　　7. 中斷返回時(shí)，當(dāng)前的CPU寄存器是task2的工作現(xiàn)場(chǎng)，那么這意味著task2已經(jīng)擁有了CPU的控制權(quán)。怎么樣?真得是被“偷梁換柱”了，CPU已經(jīng)從task1的while(1)里面被“俘虜”到了task2中。至此，一次任務(wù)切換完成。

　　圖2

　　大家可以好好消化一下，其實(shí)任務(wù)的切換還真的不是傳說(shuō)中那么神奇。到這里，還是沒(méi)有把任務(wù)延時(shí)函數(shù)的神秘面紗揭開(kāi)，沒(méi)關(guān)系，一個(gè)一個(gè)來(lái)，咱要各個(gè)擊破，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都吃透了才行。

　　我們先給出任務(wù)延時(shí)的一個(gè)最基本函數(shù)OSTimeDly()的程序，注意看該函數(shù)的最后調(diào)用了OS_Sched()函數(shù)，該函數(shù)便是CPU任務(wù)切換的“罪魁禍?zhǔn)住?，好奇心?qiáng)的朋友可不能放過(guò)它。

　　void OSTimeDly (INT16U ticks)

　　{

　　INT8U y;

　　#if OS_CRITICAL_METHOD == 3 /* Allocate storage for CPU status register */

　　OS_CPU_SR cpu_sr = 0;

　　#endif

　　if (OSIntNesting > 0) { /* See if trying to call from an ISR */

　　return;

　　}

　　if (ticks > 0) { /* 0 means no delay! */

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　y = OSTCBCur->OSTCBY; /* Delay current task */

　　OSRdyTbl[y] &= ~OSTCBCur->OSTCBBitX;

　　if (OSRdyTbl[y] == 0) {

　　OSRdyGrp &= ~OSTCBCur->OSTCBBitY;

　　}

　　OSTCBCur->OSTCBDly = ticks; /* Load ticks in TCB */

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　OS_Sched(); /* Find next task to run! */

　　}

　　}

　　OS_Sched()函數(shù)完成任務(wù)級(jí)的調(diào)度，該函數(shù)完成了前一個(gè)任務(wù)CPU寄存器的入棧和后一個(gè)任務(wù)CPU寄存器的出棧，并且在最后做了一次“模擬”中斷返回的操作，這個(gè)操作是由OS_TASK_SW()函數(shù)里完成的。

　　void OS_Sched (void)

　　{

　　#if OS_CRITICAL_METHOD == 3 /* Allocate storage for CPU status register */

　　OS_CPU_SR cpu_sr = 0;

　　#endif

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　if (OSIntNesting == 0) { /* Schedule only if all ISRs done and ... */

　　if (OSLockNesting == 0) { /* ... scheduler is not locked */

　　OS_SchedNew();

　　if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { /* No Ctx Sw if current task is highest rdy */

　　OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

　　#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0

　　OSTCBHighRdy->OSTCBCtxSwCtr++; /* Inc. # of context switches to this task */

　　#endif

　　OSCtxSwCtr++; /* Increment context switch counter */

　　OS_TASK_SW(); /* Perform a context switch */

　　}

　　}

　　}

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　}

　　函數(shù)void OSCtxSw(void);咱還真無(wú)法右鍵open打開(kāi)，通常不是用C語(yǔ)言寫的，而是用匯編來(lái)完成這個(gè)操作。

　　再回到 OSTaskIdle()函數(shù)，試想想如果系統(tǒng)中只有兩個(gè)用戶任務(wù)task1和task2，如果他們都調(diào)用任務(wù)延時(shí)函數(shù)，那么模擬中斷返回后系統(tǒng)應(yīng)該到哪里繼續(xù)執(zhí)行程序呢?不得而知，或許程序就要跑飛了，基于此，OSTaskIdle()函數(shù)就有存在的必要了，雖然它好像不干什么事，但至少它能保證系統(tǒng)在沒(méi)有task可執(zhí)行的時(shí)候處于一個(gè)可控的狀態(tài)中。除此以外，OSTaskIdle()函數(shù)中還做了一件或許大家多少還是有些在意的CPU使用率的計(jì)算，它是通過(guò)計(jì)算空閑時(shí)間來(lái)推斷每秒鐘CPU的使用率的。