如何改进μC/OS-II内核的堆栈结构设计？

　　已经有不少的文章介绍了有关μC/OS-II这个实时内核及其应用。在很多的处理器上，μC/OS-II都得到了应用。μC/OS-II是一种源码公开、可移植、可固化、可裁减、可剥夺的实时多任务操作系统。特别适用于用户任务较多，而对实时性要求较严格的场合。
　　μC/OS-II内核是一个占先式内核，用户视任务的轻重缓急不同赋予任务不同的优先级。一般来说，用户任务的实时性要求越高，则应赋予的优先级也越高；对那些要求不甚严格的任务，赋予的优先级应低一些。对突发事件，像A/D采样后的数据读取等，则应采用中断，实时响应，因而，中断享有最高的优先级。优先级高的任务在进行调度时，优先得到资源，因而能及时进入运行态运行；优先级低的得不到资源而进入就绪态，等待下一次任务调度。由于任务优先级的唯一性，μC/OS-II内核能在不同任务间井然有序地调度运行。
　　μC/OS-II内核的功能强大，提供了用于共享资源的信号灯，用于进程通信的消息队列和邮箱等，是一个比较全面的系统。但有些地方仍然值得改进，比如该系统不支持时间片的任务调度，因而一旦任务进入了死循环，调度程序无法调度，其它的任务也就得不到及时运行处理。解决的方法也很简单，只要在定时中断服务程序中调用函数OSIntCtxSw（）即可。
　　μC/OS-II内核的另外一个值得改进的地方是它的堆栈处理。为了确保运行的安全可靠，μC/OS-II内核将每个任务的堆栈空间都按最大化处理，结果导致RAM的需求变大，往往还需外扩RAM，而浪费过多。下面详细讨论如何改进μC/OS-II内核的堆栈结构设计。
　　1 μC/OS-II的堆栈结构
　　在堆栈的处理上，μC/OS-II为每个任务分配一个独立的堆栈，堆栈空间按任务中最大需求进行分配。这种方法可保证程序可靠运行，但却是以浪费大量的空间为代价。对一些小系统来说，没有扩展外部RAM，内部RAM相当小，RAM的空间利用就非常重要了。下面就来探讨如何改进μC/OS内核，以达到减少任务栈的内存需求。
　　在μC/OS-II中，每个任务都定义了一个独立的堆栈空间，这个堆栈空间用来存放任务的相关信息，具体包括以下几个部分（如图1所示）：
　　◆ 任务中定义的局部变量及被调用函数可能在栈上分配的局部变量；
　　◆ 任务中各个函数的返回地址；
　　◆ 发生中断时需要保存的上下文；
　　◆ 中断嵌套时需要保存的上下文。
　　
　　图1 任务的堆栈内容分布情况
　　在这4个部分中，前3个的内存需求是比较容易估算的，只要察看反汇编代码，并计算各个函数的栈需求，留有一定的裕量就可以了。但是第4部分的栈空间使用量是随中断嵌套的深度而不断增加的，是不确定的，一般方法是定义一个充分大的栈空间，使之不会溢出。但为每个任务都定义一个充分大的栈空间，会导致栈空间的浪费。如果将第4部分独立出来，单独为它定义一个较大的空间，在任务栈中去掉原来的第4部分，这样，就可大大减少栈空间的浪费，减少对内存的需求。实际上，这是可行的。在μC/OS-II中，内核为中断嵌套的层数定义了一个全局变量OSIntNesting。系统在进行任务调度时，先要判断OSIntNesting是否为0，如果OSIntNesting不为0，则不进行任务切换。也就是说：在OSIntNesting为1（当前只有一个中断，并且没有嵌套中断）时，如果发生了嵌套的中断（不管嵌套的层数有多深），那么所有嵌套的中断一层一层地都返回，直到OSIntNesting再次为1时止，任务栈是不会切换的，栈指针始终在同一个任务的栈空间中变化。因而，可以为中断嵌套单独定义一个中断嵌套栈。在发生第1次中断时，中断服务程序将栈空间切换到中断嵌套栈，这样，以后发生的嵌套中断就一直使用这个栈空间。在中断返回到第1次中断时，即OSIntNesting为1时，中断服务程序再从中断嵌套栈切换回任务栈。这样就实现了中断任务的切换，减少了内存需求。下面以此思路，来进一步讨论堆栈处理的结构设计。
　　2 μC/OS-II的堆栈改进设计
　　按上述设计，可设置中断嵌套栈OSInterruptStk，对中断服务程序做如下修改。
　　① 保存全部CPU寄存器。
　　② 直接将OSIntNesting加1。
　　增加：判断OSIntNesting是否等于1，如果不是则转到3。
　　增加：将栈指针SP保存到OSTCBCur-》OSTCBStkPtr。
　　增加：将SP指向OSInterruptStk的栈顶（注意栈增长的方向）。
　　③ 执行用户代码做中断服务。
　　④ 调用OSIntExit。
　　增加：判断OSIntNesting是否等于0，如果不是则转到5。
　　增加：从OSTCBCur-》OSTCBStkPtr中恢复栈指针SP。
　　⑤ 恢复所有CPU寄存器。
　　⑥ 执行中断返回指令。
　　此时，任务的堆栈分布情况如图2所示。
　　
　　图2 改进后任务的堆栈内容分布情况
　　这样，就实现了中断嵌套栈和任务栈的双向切换。此外，还需修改OSIntCtxSw（）函数，原始的OSIntCtxSw（）函数的写法如下：
　　① 调整栈指针，去掉在调用OSIntExit（）和OSIntCtxSw（）过程中入栈的多余内容；
　　② 将当前栈指针保存到OSTCBCur中，即STCBCur-》OSTCBStkPtr = SP；
　　③ 如果需要则调用OSTaskSwHook；
　　④ OSTCBCur = OSTCBHighRdy；
　　⑤ OSPrio = OSPrioHighRdy；
　　⑥ 从OSTCBCur中恢复栈指针，SP= OSTCBCur -》OSTCBStkPtr；
　　⑦ 恢复保存了的CPU寄存器；
　　⑧ 执行中断返回指令。
　　新的写法只需将原写法中的1、2去掉即可，因为1、2步只是保存旧任务的栈指针，而新写法中，这些步被移到了“中断服务程序”中。作了上述修改后，原来在每个任务栈中都必须的第4部分已被移到了中断嵌套栈，实现了降低内存需求的目的。
　　结语
　　μC/OS-II内核的堆栈处理适用于RAM存储器充足，任务切换频繁，对实时性要求严格的场合，一般主要用在16位或32位微处理器较大的系统设计中。对于一般的小系统，由于RAM空间有限，任务不多，切换也不是太频繁，因而，在堆栈处理上可以采用中断嵌套栈。这大大减少了对RAM存储器的需求，不但简化了硬件设计，而且还降低了成本。