μC/OS-II的任務(wù)切換機(jī)理及中斷調(diào)度優(yōu)化

(2) 中斷級的任務(wù)切換原理

μC/OS-II的中斷服務(wù)子程序和一般前后臺的操作有少許不同，往往需要這樣操作：

保存全部CPU寄存器

調(diào)用OSIntEnter()或OSIntNesting++

開放中斷

執(zhí)行用戶代碼

關(guān)閉中斷

調(diào)用OSIntExit();

恢復(fù)所有CPU寄存器

RETI

OSIntEnter()就是將全局變量OSIntNesting加1。OSIntNesting是中斷嵌套層數(shù)的變量。μC/OS-II通過它確保在中斷嵌套的時候，不進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。執(zhí)行完用戶的代碼后，μC/OS-II調(diào)用OSIntExit()，一個與OSSched()很像的函數(shù)。在這個函數(shù)中，系統(tǒng)首先把OSIntNesting減1，然后判斷是否中斷嵌套。如果不是的話，并且當(dāng)前任務(wù)不是最高優(yōu)先級的任務(wù)，那么找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，執(zhí)行OSIntCtxSw()這一出中斷任務(wù)切換函數(shù)。因為，在這之前已經(jīng)做好了壓棧工作；在這個函數(shù)中，要進(jìn)行R15~R4的出棧工作。而且，由于在之前調(diào)用函數(shù)的時候，可能已經(jīng)有一些寄存器被壓入了堆棧。所以要進(jìn)行堆棧指針的調(diào)整，使得能夠從正確的位置出棧。

3 使用μC/OS-II存在的問題和解決方法

由于μC/OS-II在應(yīng)用的時候會占用單片機(jī)上的一些資源，如系統(tǒng)時鐘、RAM、Flash或者ROM，從而減少了用戶程序?qū)Y源的利用。對于MSP430來說，RAM的占用是特別突出的問題。對于8、16位的單片機(jī)來說，片內(nèi)的RAM容量都很小，MSP430也是如此（最大的片內(nèi)RAM也只有2KB，例如MSP430F149）。如果使用擴(kuò)展內(nèi)存，會大大增加設(shè)計難度。

通過對μC/OS-II的分析可以得知，μC/OS-II占用的RAM主要是用在每個任務(wù)的TCB、每個任務(wù)的堆棧等方面。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)任務(wù)堆棧大的原因是因為MSP430的硬件設(shè)計中沒有把中斷堆棧和任務(wù)堆棧分開。這樣就造成了在應(yīng)用μC/OS-II的時候，考慮每個任務(wù)的任務(wù)堆棧大小時，不單單需要計算任務(wù)中局部變量和函數(shù)嵌套層數(shù)，還需要考慮中斷的最大嵌套層數(shù)。因為，對于μC/OS-II原始的中斷處理的設(shè)計、中斷處理過程中的中斷嵌套中所需要壓棧的寄存器大小和局部變量的內(nèi)存大小，都需要算在每個任務(wù)的任務(wù)堆棧中，則對于每一個任務(wù)都需要預(yù)留這一部分內(nèi)存，所以大量的RAM被浪費。從這里可以看出，解決這一問題的直接方法就是把中斷堆棧和每個任務(wù)自己的堆棧分開。這樣，在計算每個任務(wù)堆棧的時候，就不需要把中斷處理中（包括中斷嵌套過程中）的內(nèi)存的占用計算到每個任務(wù)的任務(wù)堆棧中，只需要計算每個任務(wù)本身需要的內(nèi)存大小，從而提高了RAM的利用率，可以緩解內(nèi)存緊張的問題。

在這種設(shè)計方案中，中斷堆棧區(qū)也就是利用原有的MSP430中的系統(tǒng)堆棧區(qū)。在前后臺的設(shè)計形式中，中斷中的壓棧和出棧的操作都是在系統(tǒng)的堆棧區(qū)完成的。基于μC/OS-II的任務(wù)切換的原理，我們對于任務(wù)堆棧的功能和系統(tǒng)堆棧的功能做了以下劃分：任務(wù)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生中斷和任務(wù)切換的時候，PC和SR以及寄存器Rx都保存在各個任務(wù)自己的任務(wù)堆棧中；而中斷嵌套產(chǎn)生的壓棧和出棧的操作都是放在系統(tǒng)堆棧中進(jìn)行的。這種劃分方式是基于盡量將中斷任務(wù)與普通任務(wù)分開的思想設(shè)計的。

從前面對于IAR EW的默認(rèn)操作分析來看，堆棧的結(jié)構(gòu)可以有兩種。一種是把μC/OS-II的任務(wù)堆棧設(shè)計成圖1所示的形式。這種方法是把編譯器默認(rèn)的壓棧操作放在前面，然后再把剩下的寄存器進(jìn)棧。但是，由于編譯器在處理復(fù)雜程度不同的中斷服務(wù)程序的時候，壓入棧的寄存器的數(shù)量不定，所以會對以后其余寄存器的壓棧和出棧操作增加復(fù)雜度。這里，我們采用了圖2所示的方式生成堆棧。在這種堆棧中，PC和SR壓棧后，通過調(diào)整SP指針，使得R4~R15寄存器覆蓋編譯器默認(rèn)壓棧的寄存器。這樣，處理的難度會小一點。

對于這樣的設(shè)計方式，CPU必須能夠：

◆ 有相應(yīng)的CPU寄存器能夠模仿SP的一些功能，能使用相應(yīng)的指令來完成類似SP的一些操作；

◆ 作為SP使用的寄存器在編譯過程中最好不被編譯器默認(rèn)使用。在IAR的編譯器中，有一個選項可以避免在編譯過程中使用到R4、R5。

這兩點MSP430都可以做到。

下面對一個正在運(yùn)行的優(yōu)先級為6的任務(wù)中斷后，會發(fā)生的幾種情況進(jìn)行分析。

1） 在中斷的處理過程中沒有更高優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生，即不會產(chǎn)生中斷嵌套。

圖3所示為中斷發(fā)生后對于任務(wù)優(yōu)先級為6的任務(wù)堆棧所進(jìn)行的操作。中斷發(fā)生后，PC和SR被系統(tǒng)壓棧②，對于IAR C編譯器來說，會按照復(fù)雜度不同的中斷服務(wù)程序的要求，默認(rèn)地進(jìn)行一些寄存器的壓棧操作③。因為我們要求的堆棧格式是如圖2所示的，我們要把SP調(diào)整到SR后面④，然后進(jìn)行R4~R15的壓棧操作，形成我們所要求的堆棧格式⑤。

進(jìn)行任務(wù)堆棧的壓棧工作以后，就可以調(diào)整SP的指針到系統(tǒng)堆棧了，如圖4所示。壓棧后的SP指向最后一個壓棧內(nèi)容①。我們把SP的值賦值給優(yōu)先級6任務(wù)的TCB->OSTCBStkPtr，以便進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的時候出棧使用②。接著，就把SP調(diào)整到系統(tǒng)堆棧處③。在中斷處理過程中，可能會出現(xiàn)壓棧的操作，那么這種情況下SP的指針會隨之移動。由于現(xiàn)在是中斷堆棧中，所以不會破壞任務(wù)堆棧的格式。