uCos的多任务实现

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：

void  Task_A(void *p_arg)

{

while(1)

{

OSTimeDly(10);  //任务里必须有类似的主动释放CPU的函数

......

}

}

void  Task_B(void *p_arg)

{

while(1)

{

OSTimeDly(10);

......

}

}

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)：

void SysTickHandler(void)

{

OSIntEnter();

OSTimeTick();

OSIntExit();

}

假设现在程序在Task_A的while(1)里，然后SysTick中断来了，SysTickHandler服务程序开始执行，先执行OSIntEnter()：

void  OSIntEnter (void)

{

if (OSRunning == OS_TRUE) {

if (OSIntNesting < 255u) {

OSIntNesting++;

}

}

}

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：

void  OSTimeTick (void)

{

OS_TCB    *ptcb;

#if OS_TICK_STEP_EN > 0

BOOLEAN    step;

#endif

#if OS_CRITICAL_METHOD == 3                                /* Allocate storage for CPU status register     */

OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;

#endif

#if OS_TIME_TICK_HOOK_EN > 0

OSTimeTickHook();                                      /* Call user definable hook                     */

#endif

#if OS_TIME_GET_SET_EN > 0

OS_ENTER_CRITICAL();                                   /* Update the 32-bit tick counter               */

OSTime++;

OS_EXIT_CRITICAL();

#endif

if (OSRunning == OS_TRUE) {

#if OS_TICK_STEP_EN > 0

switch (OSTickStepState) {                         /* Determine whether we need to process a tick  */

case OS_TICK_STEP_DIS:                         /* Yes, stepping is disabled                    */

step = OS_TRUE;

break;

case OS_TICK_STEP_WAIT:                        /* No,  waiting for uC/OS-View to set ...       */

step = OS_FALSE;                          /*      .. OSTickStepState to OS_TICK_STEP_ONCE */

break;

case OS_TICK_STEP_ONCE:                        /* Yes, process tick once and wait for next ... */

step            = OS_TRUE;                /*      ... step command from uC/OS-View        */

OSTickStepState = OS_TICK_STEP_WAIT;

break;

default:                                       /* Invalid case, correct situation              */

step            = OS_TRUE;

OSTickStepState = OS_TICK_STEP_DIS;

break;

}

if (step == OS_FALSE) {                            /* Return if waiting for step command           */

return;

}

#endif

ptcb = OSTCBList;                                  /* Point at first TCB in TCB list               */

while (ptcb->OSTCBPrio != OS_TASK_IDLE_PRIO) {     /* Go through all TCBs in TCB list              */

OS_ENTER_CRITICAL();

if (ptcb->OSTCBDly != 0) {                     /* No, Delayed or waiting for event with TO     */

if (--ptcb->OSTCBDly == 0) {               /* Decrement nbr of ticks to end of delay       */

/* Check for timeout                            */

if ((ptcb->OSTCBStat & OS_STAT_PEND_ANY) != OS_STAT_RDY) {

ptcb->OSTCBStat   &= ~OS_STAT_PEND_ANY;                /* Yes, Clear status flag   */

ptcb->OSTCBPendTO  = OS_TRUE;                          /* Indicate PEND timeout    */

} else {

ptcb->OSTCBPendTO  = OS_FALSE;

}

if ((ptcb->OSTCBStat & OS_STAT_SUSPEND) == OS_STAT_RDY) {  /* Is task suspended?       */

OSRdyGrp               |= ptcb->OSTCBBitY;             /* No,  Make ready          */

OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;

}

}

}

ptcb = ptcb->OSTCBNext;                        /* Point at next TCB in TCB list                */

OS_EXIT_CRITICAL();

}

}

}

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：

typedef struct os_tcb {

OS_STK          *OSTCBStkPtr;      /* Pointer to current top of stack                              */

#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0

void            *OSTCBExtPtr;      /* Pointer to user definable data for TCB extension             */

OS_STK          *OSTCBStkBottom;   /* Pointer to bottom of stack                                   */

INT32U           OSTCBStkSize;     /* Size of task stack (in number of stack elements)             */

INT16U           OSTCBOpt;         /* Task options as passed by OSTaskCreateExt()                  */

INT16U           OSTCBId;          /* Task ID (0..65535)                                           */

#endif

struct os_tcb   *OSTCBNext;        /* Pointer to next     TCB in the TCB list                      */

struct os_tcb   *OSTCBPrev;        /* Pointer to previous TCB in the TCB list                      */

#if OS_EVENT_EN

OS_EVENT        *OSTCBEventPtr;    /* Pointer to event control block                               */

#endif

#if ((OS_Q_EN > 0) && (OS_MAX_QS > 0)) || (OS_MBOX_EN > 0)

void            *OSTCBMsg;         /* Message received from OSMboxPost() or OSQPost()              */

#endif

#if (OS_VERSION >= 251) && (OS_FLAG_EN > 0) && (OS_MAX_FLAGS > 0)

#if OS_TASK_DEL_EN > 0

OS_FLAG_NODE    *OSTCBFlagNode;    /* Pointer to event flag node                                   */

#endif

OS_FLAGS         OSTCBFlagsRdy;    /* Event flags that made task ready to run                      */

#endif

INT16U           OSTCBDly;         /* Nbr ticks to delay task or, timeout waiting for event        */

INT8U            OSTCBStat;        /* Task status                                                  */

BOOLEAN          OSTCBPendTO;      /* Flag indicating PEND timed out (OS_TRUE == timed out)           */

INT8U            OSTCBPrio;        /* Task priority (0 == highest)                                 */

INT8U            OSTCBX;           /* Bit position in group  corresponding to task priority        */

INT8U            OSTCBY;           /* Index into ready table corresponding to task priority        */

#if OS_LOWEST_PRIO <= 63

INT8U            OSTCBBitX;        /* Bit mask to access bit position in ready table               */

INT8U            OSTCBBitY;        /* Bit mask to access bit position in ready group               */

#else

INT16U           OSTCBBitX;        /* Bit mask to access bit position in ready table               */

INT16U           OSTCBBitY;        /* Bit mask to access bit position in ready group               */

#endif

#if OS_TASK_DEL_EN > 0

INT8U            OSTCBDelReq;      /* Indicates whether a task needs to delete itself              */

#endif

#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0

INT32U           OSTCBCtxSwCtr;    /* Number of time the task was switched in                      */

INT32U           OSTCBCyclesTot;   /* Total number of clock cycles the task has been running       */

INT32U           OSTCBCyclesStart; /* Snapshot of cycle counter at start of task resumption        */

OS_STK          *OSTCBStkBase;     /* Pointer to the beginning of the task stack                   */

INT32U           OSTCBStkUsed;     /* Number of bytes used from the stack                          */

#endif

#if OS_TASK_NAME_SIZE > 1

INT8U            OSTCBTaskName[OS_TASK_NAME_SIZE];

#endif

} OS_TCB;

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：

void  OSIntExit (void)

{

#if OS_CRITICAL_METHOD == 3

OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;

#endif

if (OSRunning == OS_TRUE) {   /* 如果uCos还没有启动运行，则不进行任务调度，因为这时候uCos的初始化还没完成 */

OS_ENTER_CRITICAL();

if (OSIntNesting > 0) {    /* 将中断嵌套计数器减一 */

OSIntNesting--;

}

if (OSIntNesting == 0) {   /* 只有在中断嵌套为0，也就是即将退出中断时才进行任务调度 */

if (OSLockNesting == 0) {

OS_SchedNew();/* 找出当前就绪表中的最高优先级任务，并更新全局变量OSPrioHighRdy */

if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) {/*如果发现当前最高优先级任务不是正在运行的任务，就要进行任务切换*/

OSTCBHighRdy  = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0

OSTCBHighRdy->OSTCBCtxSwCtr++;

#endif

OSCtxSwCtr++;

OSIntCtxSw(); /*调用专门用于中断服务里的上下文切换函数，进行山下文的切换 */

}

}

}

OS_EXIT_CRITICAL();

}

}

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。