本篇文章講述了任務(wù)的三大元素：任務(wù)控制塊、任務(wù)棧、任務(wù)入口函數(shù)，并講述了編寫RTOS任務(wù)入口函數(shù)時(shí)三個(gè)重要的注意點(diǎn)。

1. 知識(shí)點(diǎn)回顧

在正式開(kāi)始講解內(nèi)容之前，我會(huì)先回顧一下基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，請(qǐng)確保你已經(jīng)了解并掌握。

1.1. 任務(wù)的創(chuàng)建方法

在用戶層調(diào)用API創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，通常的流程如下：

① 創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組作為任務(wù)棧：

#define TASK1_STACK_SIZE    512  
k_stack_t task1_stack[TASK1_STACK_SIZE];

② 創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)控制塊：

k_task_t    task1;

③ 編寫任務(wù)入口函數(shù)：

void task1_entry(void *arg)  
{  
    while(1)  
    {  
        printf("task1 is runningrn");  
        tos_task_delay(1000);  
    }  
}

④ 調(diào)用系統(tǒng)API創(chuàng)建任務(wù)：

ret = tos_task_create(&task1,  
                      "task1",  
                      task1_entry,  
                      NULL,  
                      TASK1_PRO,  
                      task1_stack,  
                      TASK1_STACK_SIZE,  
                      10);

創(chuàng)建之后任務(wù)為就緒態(tài)（處于系統(tǒng)就緒隊(duì)列中），等待系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度執(zhí)行。

1.2. STM32內(nèi)存分布

閱讀之后，你應(yīng)該要知道，STM32（Cortex-M3）中Flash和SRAM的內(nèi)存空間如下：

其中Flash存儲(chǔ)空間中又分為文本段、只讀數(shù)據(jù)段、復(fù)制數(shù)據(jù)段：

其中SRAM存儲(chǔ)空間中又分為data數(shù)據(jù)段、bss數(shù)據(jù)段、堆空間、?？臻g：

并且還要知道不同的變量類型，它對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)位置在哪里，如果沒(méi)有，一定要閱讀上文之后再回來(lái)看，這是理解之后內(nèi)容的基礎(chǔ)。

1.3. Cortex-M3/4系列內(nèi)核

CrortexM3/4系列內(nèi)核中的寄存器組都有16個(gè)寄存器，如圖所示，寄存器組通常都是CPU用于數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行控制的，希望你可以大概知道每個(gè)寄存器的作用：

① R0-R12：通用寄存器，用于數(shù)據(jù)操作；

② R13：棧頂指針，有兩個(gè)互斥的指針MSP和PSP，在任一時(shí)刻只能使用其中一個(gè)；

③ R14：連接寄存器，調(diào)用子程序時(shí)存放返回地址；

④ R15：程序計(jì)數(shù)器，PC指針指向哪里，CPU就執(zhí)行哪里的代碼；

在RTOS內(nèi)核中，這16個(gè)寄存器組的值稱之為 「上下文環(huán)境」 ，即當(dāng)前任務(wù)運(yùn)行時(shí)這16個(gè)寄存器中的值稱為上文環(huán)境，下一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)這16個(gè)寄存器的值稱為下文環(huán)境， 「上下文切換」 就是指將這16寄存器組的值修改為下一個(gè)任務(wù)的值。

1.4. 棧

棧是一種 「只能在一端插入或者刪除元素」 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，規(guī)則為： 「先入后出」 （FILO）。

在C語(yǔ)言程序運(yùn)行的時(shí)候，棧是非常非常非常重要的，在裸機(jī)程序中，棧頂指針由寄存器R13給出。

棧的作用，一方面是局部變量的存儲(chǔ)，局部變量的定義會(huì)被匯編為PUSH 指令，將局部變量中的內(nèi)容壓入棧中，在函數(shù)執(zhí)行完畢之后出棧，該局部變量被銷毀；另一方面是函數(shù)調(diào)用時(shí)的參數(shù)傳遞，也會(huì)被壓入棧中，在函數(shù)執(zhí)行完畢后出棧。

2. 任務(wù)控制塊長(zhǎng)啥樣

任務(wù)控制塊是一個(gè)任務(wù)的核心，廣義的講： 「內(nèi)核所有對(duì)任務(wù)的操作，其實(shí)都是在操作任務(wù)控制塊」 。

任務(wù)控制塊類型k_task_t是一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型：

typedef struct k_task_st    k_task_t;

當(dāng)定義了一個(gè)任務(wù)控制塊時(shí)，該結(jié)構(gòu)體變量沒(méi)有初始值，所以 「存儲(chǔ)位置在STM32內(nèi)部SRAM中的bss段內(nèi)」 。

任務(wù)控制塊的結(jié)構(gòu)體類型定義如下：

/**  
 * task control block  
 */  
struct k_task_st {  
    k_stack_t          *sp;                     /**< task stack pointer. This lady always comes first, we count on her in port_s.S for context switch. */  
  
    knl_obj_t           knl_obj;                /**< just for verification, test whether current object is really a task. */  
  
    char                name[K_TASK_NAME_MAX];  /**< task name */  
    k_task_entry_t      entry;                  /**< task entry */  
    void               *arg;                    /**< argument for task entry */  
    k_task_state_t      state;                  /**< just state */  
    k_prio_t            prio;                   /**< just priority */  
  
    k_stack_t          *stk_base;               /**< task stack base address */  
    size_t              stk_size;               /**< stack size of the task */  
  
  
  
    k_list_t            stat_list;              /**< list for hooking us to the k_stat_list */  
  
    k_tick_t            tick_expires;           /**< if we are in k_tick_list, how much time will we wait for? */  
  
    k_list_t            tick_list;              /**< list for hooking us to the k_tick_list */  
    k_list_t            pend_list;              /**< when we are ready, our pend_list is in readyqueue; when pend, in a certain pend object's list. */  
      
  
    pend_obj_t         *pending_obj;            /**< if we are pending, which pend object's list we are in? */  
    pend_state_t        pend_state;             /**< why we wakeup from a pend */  
};

此處引用的源碼 「不完整」 ，方便閱讀起見(jiàn)，所有使用宏開(kāi)關(guān)配置的定義全部省略。

任務(wù)控制塊中的內(nèi)容主要分為三部分：

① 任務(wù)棧棧頂指針sp：接下來(lái)會(huì)重點(diǎn)講解；

② 任務(wù)的全部信息：任務(wù)名稱、任務(wù)狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)入口函數(shù)及參數(shù)、任務(wù)棧地址和大??；

③ 任務(wù)的鏈表：后續(xù)文章中重點(diǎn)講解。

3. 任務(wù)棧

3.1. 任務(wù)棧是什么

任務(wù)棧類型 k_stack_t 是一個(gè) uint8_t 類型：

typedef uint8_t             k_stack_t;

當(dāng)定義了一個(gè)任務(wù)棧數(shù)組時(shí)：

#define TASK1_STACK_SIZE    512  
k_stack_t task1_stack[TASK1_STACK_SIZE];

本質(zhì)上還是一個(gè)uint8_t類型的全局變量數(shù)組，該全局變量數(shù)組沒(méi)有初始值，所以 「存儲(chǔ)位置仍在STM32內(nèi)部SRAM中的bss段內(nèi)」 。

在使用該數(shù)組的時(shí)候，只通過(guò)指針sp訪問(wèn)，假裝它是一個(gè)棧，在使用上和棧的使用方式一模一樣，所以稱之為任務(wù)棧。

3.2. 任務(wù)棧中有什么（作用）

在創(chuàng)建任務(wù)的API中，有這樣一句代碼來(lái)初始化任務(wù)棧，并且返回任務(wù)棧的棧頂指針sp：

task- >sp = cpu_task_stk_init((void *)entry, arg, (void *)task_exit, stk_base, stk_size);

查看cpu_task_stk_init函數(shù)的定義，會(huì)發(fā)現(xiàn) 「不同的CPU結(jié)構(gòu)，該函數(shù)的實(shí)現(xiàn)不同」 。

為什么不同的CPU結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致任務(wù)棧的初始化代碼實(shí)現(xiàn)不同呢？

不急，讓我們先來(lái)看看如何來(lái)初始化任務(wù)棧， 「Cortex-M系列芯片的內(nèi)核對(duì)應(yīng)的都是ARM v7m架構(gòu)」 ，選取此架構(gòu)中的 cpu_task_stk_init 函數(shù)實(shí)現(xiàn)來(lái)探索問(wèn)題的答案。

① 獲取任務(wù)棧棧頂指針的地址并對(duì)齊：

cpu_data_t *sp;  
  
sp = (cpu_data_t *)&stk_base[stk_size];  
sp = (cpu_data_t *)((cpu_addr_t)sp & 0xFFFFFFF8);

② PendSV異常發(fā)生時(shí)自動(dòng)保存的寄存器：

/* auto-saved on exception(pendSV) by hardware */  
*--sp = (cpu_data_t)0x01000000u;    /* xPSR     */  
*--sp = (cpu_data_t)entry;          /* entry    */  
*--sp = (cpu_data_t)exit;           /* R14 (LR) */  
*--sp = (cpu_data_t)0x12121212u;    /* R12      */  
*--sp = (cpu_data_t)0x03030303u;    /* R3       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x02020202u;    /* R2       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x01010101u;    /* R1       */  
*--sp = (cpu_data_t)arg;            /* R0: arg  */

③ 手動(dòng)保存/加載的寄存器：

*--sp = (cpu_data_t)0x11111111u;    /* R11      */  
*--sp = (cpu_data_t)0x10101010u;    /* R10      */  
*--sp = (cpu_data_t)0x09090909u;    /* R9       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x08080808u;    /* R8       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x07070707u;    /* R7       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x06060606u;    /* R6       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x05050505u;    /* R5       */  
*--sp = (cpu_data_t)0x04040404u;    /* R4       */

④ 返回當(dāng)前棧頂指針：

return (k_stack_t *)sp;

初始化后任務(wù)棧中的內(nèi)容如下：

任務(wù)切換的大致流程是觸發(fā)PendSV異常，在異常處理函數(shù)中使用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，也就是 「上下文切換」 ，在接下來(lái)的文章中會(huì)專門講述任務(wù)切換。

當(dāng)該任務(wù)被調(diào)度執(zhí)行時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)將任務(wù)棧中最前面的8個(gè)寄存器值加載到CPU寄存器中，完成 「下文環(huán)境切換」 ，此時(shí)：

• 棧頂指針寄存器R13中的值是該任務(wù)的任務(wù)棧的sp指針；
• 程序計(jì)數(shù)器指針PC指向的是該任務(wù)的入口函數(shù)entry；

接下來(lái)CPU中的環(huán)境就是該任務(wù)的環(huán)境，該任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。

因?yàn)闂ｍ斨羔樦赶虻氖窃撊蝿?wù)的任務(wù)棧，所以此時(shí)若在任務(wù)的入口函數(shù)中傳遞參數(shù)，調(diào)用函數(shù)，創(chuàng)建局部變量， 「所有數(shù)據(jù)都被壓入到該任務(wù)的任務(wù)棧中」 ，與STM32內(nèi)部的棧空間毫無(wú)關(guān)系。

同理，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完畢時(shí)（不一定是程序結(jié)束，而是調(diào)度器需要去調(diào)度執(zhí)行別的任務(wù)了），因?yàn)闂＞哂?「后入先出」 的規(guī)則，CPU再將當(dāng)前寄存器組的值壓入到棧中，完成 「上文環(huán)境保存」 ，下次再需要被加載時(shí)，這些寄存器組的值將首先出棧。

最后揭曉問(wèn)題答案，因?yàn)?「不同的CPU架構(gòu)，CPU寄存器組的數(shù)量、功能都不同」 ，所以需要針對(duì)每種CPU架構(gòu)都要有一個(gè)實(shí)現(xiàn)。

4. 任務(wù)到底應(yīng)該怎么寫

在學(xué)習(xí)RTOS的時(shí)候，我們的關(guān)注點(diǎn)都是“如何創(chuàng)建任務(wù)”，將重點(diǎn)放在了創(chuàng)建任務(wù)的API上，而忽略了一些最重要的問(wèn)題。

重點(diǎn)①： 「任務(wù)入口函數(shù)，并不是一個(gè)普通的函數(shù)」 。

任務(wù)入口函數(shù)，通常它都偽裝成了一個(gè)普通函數(shù)，不像main函數(shù)那樣鶴立雞群，所以很多時(shí)候我們覺(jué)得它就是一個(gè)普通函數(shù)調(diào)用，實(shí)則不然。

「每一個(gè)任務(wù)的entry，首先應(yīng)該是一個(gè)獨(dú)立的裸機(jī)程序。」

為什么這么說(shuō)？因?yàn)槎嗳蝿?wù)操作系統(tǒng)的機(jī)制是搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，無(wú)論再怎么牛逼，也無(wú)法改變CPU中只有一個(gè)CPU的事實(shí)，所以無(wú)論在任何一個(gè)時(shí)刻，系統(tǒng)中都只有唯一一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行。

重點(diǎn)②： 「每寫一行代碼，都要思考任務(wù)棧是否足夠」 。

在任務(wù)入口函數(shù)中創(chuàng)建的局部變量，函數(shù)調(diào)用，函數(shù)傳參，都使用的是該任務(wù)的任務(wù)棧，和STM32內(nèi)部棧空間沒(méi)有任何關(guān)系，所以在編寫的時(shí)候一定要時(shí)刻思考自己指定的任務(wù)棧大小是否足夠，特別是在開(kāi)辟局部變量數(shù)組的時(shí)候，調(diào)用一些庫(kù)的API的時(shí)候。

而在任務(wù)入口函數(shù)中，如果定義的是static變量，則不會(huì)存放到任務(wù)棧中，存放位置在STM32內(nèi)部SRAM中的bss區(qū)域內(nèi)。

除此之外，其余代碼都屬于可執(zhí)行代碼，存放在Flash中Text區(qū)域中的Executable Code段，大可不必太在意。

重點(diǎn)③： 「盡量盡量要主動(dòng)釋放CPU，切忌浪費(fèi)CPU」 。

在裸機(jī)程序中，如果你動(dòng)不動(dòng)喜歡寫個(gè)死循環(huán)延時(shí)，尚可原諒，但是在RTOS系統(tǒng)中，如果一個(gè)任務(wù)在死循環(huán)做無(wú)用功，而導(dǎo)致其它任務(wù)得不到調(diào)度執(zhí)行，將是不可饒恕的。

在編寫任務(wù)入口函數(shù)的時(shí)候，一定要遵循“不使用，就讓出”的原則，做一個(gè)高素質(zhì)的任務(wù)，最普遍的做法是使用系統(tǒng)提供的delay函數(shù)來(lái)延時(shí)。

這樣做有非常多的優(yōu)點(diǎn)，一方面是防止系統(tǒng)發(fā)生堵塞，導(dǎo)致其它任務(wù)得不到運(yùn)行；另一方面是使系統(tǒng)中的空閑任務(wù)可以在空閑的時(shí)候回收系統(tǒng)內(nèi)存資源，進(jìn)入低功耗模式等騷操作。