深入分析uCOS的任務堆棧

堆棧作用的就是用來保存局部變量，從本質上講也就是將CPU寄存器的值保存到RAM中。在uCOS中，每一個任務都有一個獨立的任務堆棧。為了深入理解任務堆棧的作用，不妨分析任務從“出生”到“消亡”的整個過程，具體就是分析任務的建立，運行，掛起幾種狀態中任務堆棧的變化情況。

現在假設系統運行著一個由用戶創建的用以完成打印工作的任務TPrint。TPrint最初通過OSTaskCreate()函數創建，在該函數中與任務堆棧有關的第一段代碼是大家比較熟悉的函數OSTaskStkInit()，這個函數是在uCOS移植過程中必須實現的，其作用是“初始化堆棧”,其實就是預先在RAM中的一塊區域中把任務將來運行開始時CPU寄存器應處的狀態（正確值）準備好，之后，任務第一次被內核調度器調度運行時，將這些準備好的數據（寄存器的值）推到CPU的寄存器中，如果數據設計的合理，CPU便會按照我們預先設計好的思路運行。所以，“初始化堆棧”實際上是做了一個“未雨綢繆”的工作。這個過程中有兩點是必須慎重考慮的，一是PC該如何定位，二是CPU的其它寄存器(除PC之外)該怎么處理。先說第一點，因為任務是第一次運行，而任務從本質上將就是一段代碼，所以PC指針應該定位到這段代碼的第一行處，即所謂的入口地址(Entry Point)處，這個地址由任務指針保存著，所以把該指針值賦給PC即可。第二，這段代碼還未被執行過，所以代碼中的變量與CPU的其它寄存器一點關系也沒有，因此R0-R12，R14可隨便給值，或者不賦值也可，讓這些寄存器保持原來的值，顯然后者更為簡單。最后再給CPSR賦值，用戶可以根據實際需要使系統運行于系統模式或管理模式。經過入棧和出棧，此時SP指向任務堆棧的最底端（就是已經定義好的任務堆棧數組的最后一個元素）。

之后任務代碼開始正式運行，因為CPU的寄存器是有限的，所以在運行時不可避免地要把一些臨時變量暫時保存到堆棧中。具體應保存到哪個地址呢，不用擔心，SP知道（任務第一次運行時，這個地址就是任務堆棧數組的最后一個元素的地址）。任務堆棧的大小和任務代碼中臨時變量的數目有關，如果這段代碼臨變量特別多，堆棧就應設計的大一些。

然后，TPrint任務由于某種原因將要被掛起，所以應把任務的運行現場放到堆棧里保護起來，TPrint任務再次運行時再把這個現場還原，任務就能從上次斷點處緊接著運行。那么，這個現場是什么呢？從本質上講，TPrint任務的運行過程就是CPU在執行一段特定的代碼，所以這個現場就是CPU的現場，也就是寄存器的值。這些寄存器的值包含了代碼執行時的所有信息，包括當前運行到了這段代碼的哪個位置處（由PC值指明）。因此，把CPU的寄存器的值推入堆棧，然后記住棧頂指針的位置（SP由OSTCBCur->OSTCBStkPtr保存），當任務再次將要運行前，從SP指向的地址處依次把先前保存的CPU寄存器的值放到CPU的寄存器中，任務就可以從上次中斷的地方準確無誤地執行。這個過程就像突然把任務凍結了，與任務有關的任何東西都不能動了，一段時間之后又把任務解凍，與它有關的東西又變得可用，于是任務又可以活蹦亂跳地跑起來了。

從以上分析可以看出，任務堆棧至始至終伴隨著任務，與之生死與共，它的作用可以概括為兩點：第一，當任務運行時，它用來保存一些局部變量；第二，當任務掛起時，它負責保存任務的運行現場，也就是CPU寄存器的值。有些朋友正是忽視了第一點，產生了“任務堆棧大小應是固定值的疑問”。我感覺，這可能與對函數OSTaskStkInit()的理解有關，我們都稱之為堆棧初始化函數，但此處的“初始化”與我們理解的初始化不太一樣，平時講的（變量的）初始化似乎指的是將變量的所有成員都一一初始化。而此處的堆棧的初始化僅僅是初始化了很大一個堆棧的一小部分，因為當前只有這部分是有用的，而剩余的大部分用不到，所以不用初始化，就像有些變量不用初始化一樣（有默認值或隨機值）。更深入一點考慮，當任務掛起時，任務堆棧中保存任務掛起前CPU寄存器的這一連續的區域肯定在整個堆棧的最上面；當任務重新開始運行時，SP彈出寄存器的值，這段區域變成空白的區域。而且，任務每次掛起前用來保存當前CPU寄存器這一連續區域在整個任務堆棧空間中是浮動的。