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(tài)中任務堆棧的變化情況。
現(xiàn)在假設系統(tǒng)運行著一個由用戶創(chuàng)建的用以完成打印工作的任務TPrint。TPrint最初通過OSTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建,在該函數(shù)中與任務堆棧有關的第一段代碼是大家比較熟悉的函數(shù)OSTaskStkInit(),這個函數(shù)是在uCOS移植過程中必須實現(xiàn)的,其作用是“初始化堆?!?其實就是預先在RAM中的一塊區(qū)域中把任務將來運行開始時CPU寄存器應處的狀態(tài)(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(shù)據(寄存器的值)推到CPU的寄存器中,如果數(shù)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?!睂嶋H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(zhí)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(tǒng)運行于系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)場放到堆棧里保護起來,TPrint任務再次運行時再把這個現(xiàn)場還原,任務就能從上次斷點處緊接著運行。那么,這個現(xiàn)場是什么呢?從本質上講,TPrint任務的運行過程就是CPU在執(zhí)行一段特定的代碼,所以這個現(xiàn)場就是CPU的現(xiàn)場,也就是寄存器的值。這些寄存器的值包含了代碼執(zhí)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(zhí)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(xiàn)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(shù)OSTaskStkInit()的理解有關,我們都稱之為堆棧初始化函數(shù),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(xù)的區(qū)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(qū)域變成空白的區(qū)域。而且,任務每次掛起前用來保存當前CPU寄存器這一連續(xù)區(qū)域在整個任務堆??臻g中是浮動的。
討論一下,如果堆棧初始化太小了,程序占用超過初始化值時會發(fā)生什么 樣的情況呢
堆棧相對于來說每一個任務來說就像是他的一個倉庫,而任務運行的關鍵因素都保存在這個倉庫中。每一個任務都有這樣一個倉庫。每一次任務決定放棄CPU時都會把自己的重要信息先保存到自己的倉庫中。以便于下次再次獲得CPU使用權時使用。如果堆棧較小,也就是倉庫容量不足,就會出現(xiàn)兩種可能,一個是自己重要的信息無法全部保存,另外一種情況下占用了別的任務的倉庫。第一種情況會造成任務再次運行時得不到全部的資源而無法正常運行。第二種情況會修改別的任務的重要信息而造成別的任務無法正常運行。(在這里解釋一下,由于UCOS不想Linux一樣使用虛擬地址,UCOS使用的是實地址模式,無法進行地址保護)當任務無法正常運行時就會造成任務之間的相互干擾。最終導致系統(tǒng)的崩潰。所以堆棧的分配就至關重要。這就好比你當老板結果給員工的待遇卻很低又想讓你的員工好好干活。結果會怎樣。輕則員工罷工,重則擾亂軍心公司倒閉。呵呵!
在使用系統(tǒng)時,任務本身的程序沒有問題而當運行到某一點占用堆棧很大時發(fā)生了地址異常,那么可能是你的任務堆棧溢出。
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