| 第三章 风水轮流转 【承前启后的废话】 本章探讨怎样实现多任务，并重点研究切换任务需要做什么。 关于：在嵌入式系统中，为何要基于操作系统开发程序？它相对于典型的前后台程序有什么优点？ 什么是任务？什么是多任务？等等。这类问题，本章不作额外说明。 笔者假定读者已经理解这些基本问题。如不理解，请自行百度、谷歌。 大多数书籍讲述多任务的方法是直接告诉读者系统怎么做，如μC/OS-II的任务由什么组成，怎样调度等等。 笔者不打算这么做，而是打算像做一道证明题那样，一步步告诉读者需要怎么做，为什么要这么做。 为让初学者清楚“怎样实现多任务”，笔者决定让自己做回“初学者”，一步步研究到底如何实现多任务。 “怎样实现多任务”的“子问题”是“怎样实现多任务的切换”，这也是一个关键问题。 “怎样实现多任务的切换”的“降阶问题①”是“怎样实现两个任务的切换”。 所以，本章先从“怎样实现两个任务的切换”这个特殊化、简单化的问题着手研究，之后层层深入。 最后，再分析“μC/OS-II的任务切换”及“怎样实现多任务”。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ① 你不能理解某个问题，通常意味着，你还无法理解更简单的问题；你不能解决某个问题，一般可以说，你还没能解决更简单的问题。 笔者认为，将问题“降阶”、“特殊化”应该是一个数理工作者（或工程师）惯用的“武器”。 将问题降阶、特殊化的目的是为了更快的解决问题，同时，在研究降阶问题往往能给我们一些启示，这些启示并非直接研究一般问题就能够轻易得到。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- · 怎样实现两个任务的切换【例化问题】 为方便研究“怎样实现两个任务的切换”，我们对它进行“例化”，给出具体问题。 如果，在一个系统中①，它运行着A、B两个任务，执行顺序如下： （1）运行A任务，延时50ms。 （2）运行B任务，延时50ms。 （3）运行A任务，延时50ms。 （4）运行B任务，延时50ms。 问：系统应如何处理，才能成功切换任务？（只须给出与“切换任务”相关的信息） ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ① 这里所指的系统，只含有一个单核单线程CPU，单核单线程CPU在任意时刻只能执行一条指令。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 【理论分析】 下面，我们对以上第（1）至（4）步进行分析： （1）：不需作其它处理。（直接运行A任务①，因为，到此看不出需要处理什么。） （2）：运行B任务前，将CPU的PC值更新为B任务地址②，不需作其它处理。（理由同上） （3）：运行A任务前，将CPU寄存器③更新为上一次运行中断时的CPU寄存器。（为使A任务“接着原来”运行） 然而，“上一次运行中断时的CPU寄存器”并没有被保存，这样： （2）就需修改为：运行B任务前，将A任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量④中。 （4）：运行B任务前，将CPU寄存器更新为上一次运行中断时的CPU寄存器。（为使A任务“接着原来”运行） 然而，“上一次运行中断时的CPU寄存器”并没有被保存，这样： （3）就需修改为：运行A任务前，将B任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中， 并将CPU寄存器更新为上一次运行中断时的CPU寄存器。 以上内容实际上是分析过程的“草稿”，读者如果能耐心看完，相信，能够明白所以然。 为更清楚的说明问题，将“草稿”进一步整理如下： （1）：不需作其它处理。 （2）：运行B任务前，将A任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中。 （3）：运行A任务前，将B任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中， 并将CPU寄存器更新为A任务上一次运行中断时的数据。 （4）：运行B任务前，将CPU寄存器更新为上一次运行中断时的CPU寄存器。 说明：如果第（4）步后，系统任务还没结束，需要再切换任务，那么，第（4）步需改为： 运行B任务前，将A任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中， 并将CPU寄存器更新为B任务上一次运行中断时的数据。 再次将“草稿”进一步整理如下： （1）：不需作其它处理。 （2）：运行B任务前，将A任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中。 （3）：运行A任务前，将B任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中， 并将CPU寄存器更新为A任务上一次运行中断时的数据。 （4）：运行B任务前，将A任务运行中断时的CPU寄存器值存到全局变量中， 并将CPU寄存器更新为B任务上一次运行中断时的数据。 通过上面的分析，我们知道切换任务时，需要做的是：（本文称此为Solution 1） ·将当前任务的CPU寄存器值存到RAM中。 ·将当前任务更新为即将运行任务⑤。 ·将CPU寄存器更新为即将运行任务上一次运行中断时的数据。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ① 即调用A任务里的首个需要运行的函数。 ② 任务的地址即相应的首个运行函数的函数名地址。如，void taskA() {}，将taskA赋值给PC。 ③ CPU寄存器包括了PC、SP、寄存器组等。 ④ 用过μC/OS-II的读者，知道μC/OS-II将CPU寄存器值存到栈中，即存放在局部变量里。但，在这里，由于没有特殊处理，则只能存到全局变量里。 ⑤ 这个在分析过程中并没有提到，但，它是隐含需要的，因为： ·本次切换的第三步要更新CPU寄存器，就需要知道“即将运行任务”是哪个。 ·下次切换的第一步、第三步，系统也需要知道到“当前任务”。 就本简单问题而言，可以这么说，由于 A、B轮流切换，所以，系统需要记录当前任务，以便知道切换到哪个任务。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 【实践测试】 实际上，将以上理论付诸于实践，并不能实现多任务。 原因是：A任务被挂起时，SP指向某个RAM地址（如0x2000）。切换到B任务，B任务依然要使用SP，然而这个SP值并不是B任务在被挂起时的SP值，而是A任务被挂起时的SP值（如，前面提到的0x2000）。 根据前面章节的研究，我们知道局部变量被分配在与SP相关的RAM中，即栈中。 若代码并不“刻意”改变SP的值，则整个栈是连续的。也就是，有且只有一个堆栈。 但，如果要实现多任务，则需要有多个堆栈支持，使得各个任务的RAM数据不会相互影响。 系统可以这么处理：（本文称此为Solution 2） ·建立任务①时 ·为任务分配相应的堆栈，即确定栈顶地址及堆栈大小。 ·切换任务时 ·将SP指向即将运行任务的栈顶地址（“刻意”改变SP值，使得各个任务使用相应的堆栈）。 ·将当前任务的SP保存到全局变量中②。 我们综合Solution 1及Solution 2，可以得到： ·建立任务时 ·为任务分配相应的堆栈，即确定栈顶地址及堆栈大小。（来自Solution 2） ·切换任务时 ·将当前任务的CPU寄存器值存到RAM中。（来自Solution 1） ·将当前任务的SP③保存到全局变量中。（来自Solution 2） ·将当前任务更新为即将运行任务。（来自Solution 2） ·将SP指向即将运行任务的栈顶地址。（来自Solution 2） ·将CPU寄存器更新为即将运行任务上一次运行中断时的数据。（来自Solution 1） 将Solution 3付诸于实践，前文提到的简单问题得以解决④。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ① OSTaskCreate、OSTaskCreateExt。 ② 这个在分析过程中并没有提到，但，它是隐含需要的，因为：下次切换，系统要“将SP指向即将运行任务的栈顶地址”，所以，需要保存SP。 为何要保存为全局变量，是因为，只有这样才能找回它。否则，如果分配在局部变量中，难以或者说无法找回它。（加标识有可能找回） ③ 细心的读者将发现：这一步的“SP”已包含在上一步的“CPU寄存器”中，所以，这一步可以省去。确实是这样。 但因为，在μC/OS-II中，分为两步：将CPU寄存器保存在栈中，将SP保存在TCB控制块中。所以，在这，笔者并没有省去这步。以方便后续分析。 ④ 仅以上处理是不够的，但，笔者在此只讨论了最基本的、需要处理的东西，以让读者容易明白。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
