从任务的“出生”到“消亡”,ucos任务堆栈关键作用分析

　定义　首先理解一下两个概念：


堆栈就是一段连续的空间，用于存储数据的，在C计算机中有很多应用，比如发生中断时保存现场，C语言函数调用时保存现场和临时变量。


堆栈指针就是一个数据指针。有时候计算机自己更改其指针指向的位置来保存数据，如中断时，有时候我们程序员更改其值，比如ucos操作系统做任务切换时。


堆栈的作用就是用来保存局部变量，从实质上讲也就是将CPU寄存器的值保存到RAM中。在uCOS中，每一个任务都有一个独立的任务堆栈。为了深入理解任务堆栈的作用，不妨分析任务从“出生”到“消亡”的整个过程，具体就是分析任务的建立，运行，挂起几种状态中任务堆栈的变化情况。




目前，假设系统运行着一个由用户创建的用以完成打印工作的任务TPrint。


TPrint最初通过OSTaskCreate()函数创建，在该函数中与任务堆栈有关的第一段代码是大家比较熟悉的函数OSTaskStkInit()，这个函数是在uCOS移植过程中必须实现的，其作用是“初始化堆栈”,


其实就是预先在RAM中的一块区域中把任务将来运行开始时CPU寄存器应处的状态(正确值)准备好。之后，任务第一次被内核调度器调度运行时，将这些准备好的数据(寄存器的值)推到CPU的寄存器中，如果数据设计的合理，CPU便会按照我们预先设计好的思路运行。

所以，“初始化堆栈”实际上是做了一个“未雨绸缪”的工作。


这个过程中有两点是必须慎重考虑的：


一是PC该如何定位；


二是CPU的其它寄存器(除PC之外)该怎么处理。


先说第一点，因为任务是第一次运行，而任务从实质上就是一段代码，所以PC指针应该定位到这段代码的第一行处，即所谓的入口地址(Entry Point)处，这个地址由任务指针保存着，所以把该指针值赋给PC即可。


第二，这段代码还未被履行过，所以代码中的变量与CPU的其它寄存器一点关系也没有，因此R0-R12，R14可随便给值，或者不赋值也可，让这些寄存器保持原来的值，显然后者更为简单。


最后，再给CPSR赋值，用户可以根据实际需要使系统运行于系统模式或管理模式。经过入栈和出栈，此时SP指向任务堆栈的最底端(就是已经定义好的任务堆栈数组的最后一个元素)。

之后任务代码开始正式运行，因为CPU的寄存器是有限的，所以在运行时不可避免地要把一些临时变量暂时保存到堆栈中。具体应保存到哪个地址呢，不用担心，SP知道(任务第一次运行时，这个地址就是任务堆栈数组的最后一个元素的地址)。任务堆栈的大小和任务代码中临时变量的数目有关，如果这段代码临变量分外多，堆栈就应设计的大一些。


然后，TPrint任务由于某种理由将要被挂起，所以应把任务的运行现场放到堆栈里保护起来，TPrint任务再次运行时再把这个现场还原，任务就能从上次断点处紧接着运行。


那么，这个现场是什么呢?

从本质上讲，TPrint任务的运行过程就是CPU在履行一段特定的代码，所以这个现场就是CPU的现场，也就是寄存器的值。


这些寄存器的值包含了代码履行时的所有消息，包括当前运行到了这段代码的哪个位置处(由PC值指明)。


因此，把CPU的寄存器的值推入堆栈，然后记住栈顶指针的位置(SP由OSTCBCur->OSTCBStkPtr保存)，当任务再次将要运行前，从SP指向的地址处依次把先前保存的CPU寄存器的值放到CPU的寄存器中，任务就可以从上次中断的地方准确无误地履行。


这个过程就像突然把任务冻结了，与任务有关的任何东西都不能动了，一段时间之后又把任务解冻，与它有关的东西又变得可用，于是任务又可以活蹦乱跳地跑起来了。


从以上分析可以看出，任务堆栈至始至终伴随着任务，与之生死与共，它的作用可以概括为两点：


第一，当任务运行时，它用来保存一些局部变量;


第二，当任务挂起时，它负责保存任务的运行现场，也就是CPU寄存器的值。


有些嵌友正是忽视了第一点，产生了“任务堆栈大小应是固定值的疑问”。


这也许与对函数OSTaskStkInit()的理解有关，我们都称之为堆栈初始化函数，但此处的“初始化”与我们理解的初始化不太一样，平时讲的(变量的)初始化似乎指的是将变量的所有成员都一一初始化。而此处的堆栈的初始化仅仅是初始化了很大一个堆栈的一小部分，因为当前只有这部分是有用的，而剩余的大部分用不到，所以不用初始化，就像有些变量不用初始化一样(有默认值或随机值)。


更深入一点考虑，当任务挂起时，任务堆栈中保存任务挂起前CPU寄存器的这一连续的区域确定在整个堆栈的最上面;当任务重新开始运行时，SP弹出寄存器的值，这段区域变成空白的区域。而且，任务每次挂起前用来保存当前CPU寄存器这一连续区域在整个任务堆栈空间中是浮动的。



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