Qsys與uC/OS學(xué)習(xí)筆記6：任務(wù)切換-續(xù)
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uC/OS-II總是運行進入就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)。確定哪個優(yōu)先級最高，下面要由哪個任務(wù)運行了，這一工作是由任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched (void)完成的。當(dāng)前就緒任務(wù)要交出CPU控制權(quán)并進行任務(wù)切換的相關(guān)操作都調(diào)用了OS_Sched (void)函數(shù)。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/284117.htm如圖1所示，當(dāng)前運行態(tài)任務(wù)交出CPU控制權(quán)必須是以下某個函數(shù)被調(diào)用或某事件發(fā)生：OSFlagPend()、OSMboxPend()、OSMutexPend()、OSQPend()、OSSemPend()、OSTaskSuspend()、OSTimeDly()、OSTimeDlyHMSM()、OSTaskDel()或中斷等。
圖1
我們來看看OS_Sched (void)函數(shù)的程序：
//*_bspàUCOSIIàsrcàos_core.c
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();
}
在該函數(shù)中，簡單的講，只是做了兩件事，首先找出當(dāng)前優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)(也可能是運行態(tài)任務(wù)本身)，其次調(diào)用了任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW()，由此進行切換任務(wù)間的出棧入棧操作，并模擬一次CPU中斷完成任務(wù)切換。
任務(wù)級的任務(wù)切換函數(shù)OS_TASK_SW()首先對當(dāng)前運行任務(wù)在CPU寄存器中的現(xiàn)場進行保存，即入棧;其次把即將運行的就緒態(tài)任務(wù)上一次運行時的現(xiàn)場恢復(fù)到當(dāng)前CPU寄存器中，即出棧，注意每個任務(wù)都有自己專屬的堆棧區(qū);最后使用軟中斷指令或陷阱TRAP人為模擬一次中斷產(chǎn)生，從而讓這個中斷返回的時候順利的從原任務(wù)程序中切換到了新任務(wù)程序中(因為當(dāng)前CPU寄存器的現(xiàn)場已經(jīng)從原任務(wù)的變成了新任務(wù)的)。
OS_TASK_SW()實際上是個宏調(diào)用，而OSCtxSw(void)函數(shù)通常是匯編語言編寫的，因為C編譯器通常不支持C語言直接操作CPU的寄存器。
//*_bspàHALàincàos_cpu.h
#define OS_TASK_SW OSCtxSw
void OSCtxSw(void);
OSCtxSw(void)函數(shù)程序如下：
//*_bspàHALàsrcàos_cpu_a.S
/*********************************************************************************
* PERFORM A CONTEXT SWITCH
* void OSCtxSw(void) - from task level
* void OSIntCtxSw(void) - from interrupt level
*
* Note(s): 1) Upon entry,
* OSTCBCur points to the OS_TCB of the task to suspend
* OSTCBHighRdy points to the OS_TCB of the task to resume
*
********************************************************************************/
.global OSIntCtxSw
.global OSCtxSw
OSIntCtxSw:
OSCtxSw:
/*
* Save the remaining registers to the stack.
*/
addi sp, sp, -44
#ifdef ALT_STACK_CHECK
bltu sp, et, .Lstack_overflow
#endif
#if OS_THREAD_SAFE_NEWLIB
ldw r3, %gprel(_impure_ptr)(gp) /* load the pointer */
#endif /* OS_THREAD_SAFE_NEWLIB */
ldw r4, %gprel(OSTCBCur)(gp)
stw ra, 0(sp)
stw fp, 4(sp)
stw r23, 8(sp)
stw r22, 12(sp)
stw r21, 16(sp)
stw r20, 20(sp)
stw r19, 24(sp)
stw r18, 28(sp)
stw r17, 32(sp)
stw r16, 36(sp)
#if OS_THREAD_SAFE_NEWLIB
/*
* store the current value of _impure_ptr so it can be restored
* later; _impure_ptr is asigned on a per task basis. It is used
* by Newlib to achieve reentrancy.
*/
stw r3, 40(sp) /* save the impure pointer */
#endif /* OS_THREAD_SAFE_NEWLIB */
/*
* Save the current tasks stack pointer into the current tasks OS_TCB.
* i.e. OSTCBCur->OSTCBStkPtr = sp;
*/
stw sp, (r4) /* save the stack pointer (OSTCBStkPtr */
/* is the first element in the OS_TCB */
/* structure. */
/*
* Call the user definable OSTaskSWHook()
*/
call OSTaskSwHook
0:
9:
/*
* OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
* OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
*/
ldw r4, %gprel(OSTCBHighRdy)(gp)
ldb r5, %gprel(OSPrioHighRdy)(gp)
stw r4, %gprel(OSTCBCur)(gp)
/* set the current task to be the new task */
stb r5, %gprel(OSPrioCur)(gp)
/* store the new task's priority as the current */
/* task's priority */
/*
* Set the stack pointer to point to the new task's stack
*/
ldw sp, (r4) /* the stack pointer is the first entry in the OS_TCB structure */
#if defined(ALT_STACK_CHECK) && (OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0)
ldw et, 8(r4) /* load the new stack limit */
#endif
#if OS_THREAD_SAFE_NEWLIB
/*
* restore the value of _impure_ptr ; _impure_ptr is asigned on a
* per task basis. It is used by Newlib to achieve reentrancy.
*/
ldw r3, 40(sp) /* load the new impure pointer */
#endif /* OS_THREAD_SAFE_NEWLIB */
/*
* Restore the saved registers for the new task.
*/
ldw ra, 0(sp)
ldw fp, 4(sp)
ldw r23, 8(sp)
ldw r22, 12(sp)
ldw r21, 16(sp)
ldw r20, 20(sp)
ldw r19, 24(sp)
ldw r18, 28(sp)
ldw r17, 32(sp)
ldw r16, 36(sp)
#if OS_THREAD_SAFE_NEWLIB
stw r3, %gprel(_impure_ptr)(gp) /* update _impure_ptr */
#endif /* OS_THREAD_SAFE_NEWLIB */
#if defined(ALT_STACK_CHECK) && (OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0)
stw et, %gprel(alt_stack_limit_value)(gp)
#endif
addi sp, sp, 44
/*
* resume execution of the new task.
*/
ret
#ifdef ALT_STACK_CHECK
.Lstack_overflow:
break 3
#endif
.set OSCtxSw_SWITCH_PC,0b-OSCtxSw
這個OS_TASK_SW()函數(shù)貌似非常神秘，畢竟是用匯編語言寫的，估計大伙都看不懂。不過沒有關(guān)系，它在做的事情也并不神秘。正如我們前面所言，它首先模擬產(chǎn)生一次軟中斷，接著讓當(dāng)前運行的任務(wù)入棧，讓即將運行的最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)出棧，就此完成CPU寄存器現(xiàn)場的轉(zhuǎn)換(偷梁換柱的精髓就在此)，最后執(zhí)行一條ret指令表示前面的軟中斷程序已經(jīng)執(zhí)行完畢，返回(即進入新的任務(wù)執(zhí)行程序)。
關(guān)于軟中斷如何產(chǎn)生，開始也讓筆者非常納悶，教科書上總是非常學(xué)術(shù)的告訴我們“使用軟中斷指令或陷阱TRAP人為模擬一次中斷產(chǎn)生”，而理論上這個軟中斷或TRAP指令應(yīng)該是一條簡單的匯編指令而已，但在NIOS II中移植的這個OS_TASK_SW()函數(shù)中卻沒能找到，整個函數(shù)尋覓下來好像真沒有哪條指令看上去像軟中斷或TRAP指令，找遍NIOS II Processor Reference Handbook也沒能看到哪條指令能夠完成軟中斷或TRAP的功能。在原作者的《嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版)》第14章給出的80x86上移植的OS_TASK_SW()函數(shù)實例中也沒有找到類似的指令，其操作程序和NIOS II中移植的大同小異，那到底怎么回事?
有意思的是，最一篇講述軟中斷指令的文章(http://course.cug.edu.cn/21cn/微機原理與應(yīng)用/0329.htm)中找到了蛛絲馬跡，這里提出了8086/8088中軟中斷的助記符為INT OPR，并且給出了這條指令實際運行狀況卻是多個相關(guān)寄存器的“躲閃騰挪”后完成的。那么回頭看作者給出的80x86和NIOS II移植程序，雖然沒有和INT OPR類似的專用的軟中斷指令，但函數(shù)里面某些指令操作卻同樣能夠完成軟中斷這個動作。
參考資料：
1. 《嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版)》91頁：3.05 任務(wù)調(diào)度。
2. 《嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版)》92頁：3.06 任務(wù)級的任務(wù)切換，OS_TASK_SW()。
3. 《嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II(第2版)》355頁：14.05.02 OSCtxSw()。
4. Altera Nios II 11.0 Software Build Tools for Eclipse的模板uC/OS-II工程。
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