uCos的多任务实现

作为操作系统(OS)，最基本的一项服务就是提供多线程，在实时操作系统uCos里，多线程被称为多任务(Task)。多任务并不是CPU能真正同时运行多个程序，实际是靠CPU在多个任务之间转换切换实现的，CPU轮番的服务于一系列的任务，这样CPU在宏观上好像在同时执行多个任务，实际在微观上CPU绝对是“单任务”的。这里要注意区别多线程和多核，如果系统里是有多个CPU，则可以实现真正的多线程了。


按照上面的思路，多任务的实现，就是要实现CPU在不同的任务之间切换。按照uCos作者的话说：“就是不断的保存，恢复CPU的那些寄存器”。


我们知道uCos的多任务(这里以两个任务为例)的程序模型如下：


使用uCos，程序将在这两个任务之间轮换，这两个while(1)里的程序都可以得到执行。


我们知道，在裸机编程里，如果出现while(1)这样的语句，那么程序将永远在这个循环里执行(当然是要程序主动调用break除外)，他是不会放弃CPU的，那为什么加了操作系统后，程序能在这两个while(1)之间轮换？


操作系统都需要使用“时钟节拍”技术来实现对任务的监控，并能主动调度和切换任务的执行。


uCos也同样是使用“时钟节拍”来实现任务的监管的，以STM32单片机为例，一般用SysTick这个系统时钟定时器来实现，比如我们设置这个定时器10ms的定时间隔，那么每隔10ms都会调用下面的中断服务(所以移植的时候，需要实现这个函数)：

这个函数很简单，他是uCos的内核函数，主要是给中断嵌套计数器OSIntNesting加一，因为uCos内核需要实时的判断程序的当前执行是不是在中断里，要知道，大部分的处理器是可以中断嵌套的，这里我们先不管判断程序是不是在中断里有什么用，后面马上会说到。


然后开始执行OSTimeTick()，这个函数我们只分析关键代码，也就是跟任务管理有关的代码：












在这个函数里，出现了一个全局变量OSTCBList，这个变量是uCos内核里任务控制块(TCB)链表的表头指针，问题又来了，TCB是什么，TCB链表又是什么？


原来uCos的每个任务都需要有一个TCB来管理，这个TCB记录了该任务的所有信息，同时uCos用链表来管理所有的这些TCB，TCB的结构如下：












这结构体稍微有点大，这里我们先知需要关心OSTCBDly这个成员，这个成员记录该任务的延时值，当我们调用uCos的系统函数OSTimeDly()，OSQPend()等这些阻塞类型的函数时，该任务的TCB成员OSTCBDly就会被赋予相应值。


我们继续分析OSTimeTick()，这个函数，在这个函数里，主要是给每个TCB的OSTCBDly的计数值减一，如果OSTCBDly为零了，则在任务就绪表里标记该任务，这里又引出了一问题，什么是就绪表，uCos的就绪表的实现用了一个比较巧妙的算法，这里先不仔细去分析，只有知道就绪表里记录了当前系统中，哪些任务是处于就绪态，也就是可被CPU执行的状态。


好，到这里OSTimeTick()分析完了，他完成了对每个任务的延时值减一操作，并更新了就绪表。


下面开始执行OSIntExit()，这个函数是个很关键的函数，她将实现任务的上下文切换。


OSIntExit函数的源码如下：







从上面的源码和代码注释可以总结出该函数完成的功能为：找出就绪表里的最高优先级任务，并执行OSIntCtxSw函数来进行任务切换。这里要注意，虽然执行了任务切换，但不会立刻进行上下文的切换，这个实现过程跟CPU的硬件有关，在STM32中，上下文的切换是用的“悬起中断”，该中断只有当CPU的所有中断完成了，也就是退出了所有的中断嵌套后，才会执行。


OSIntCtxSw函数是移植uCos的一个非常关键的函数，他负责恢复运行任务的上次中断现场，这个函数跟CPU体系有紧密的联系，这里先不仔细分析。

到这里我们基本可以看到uCos利用系统时钟滴答实现多任务的大概流程如下：

uCos的任务切换过程就分析跟踪完了，这里要注意几点，任务的切换并不只会发生在系统时钟滴答的中断服务里，调用发送信号量，发送消息等这些系统函数时也会引起任务切换，但大致的原理都差不多，这里我们只对程序的原理和框架做了说明，实际还是有些细节需要处理的。




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