uC/OS II的任務切換機理及中斷調度優(yōu)化
對于這樣的設計方式,CPU必須能夠:
- 有相應的CPU寄存器能夠模仿SP的一些功能,能使用相應的指令來完成類似SP的一些操作;
- 作為SP使用的寄存器在編譯過程中最好不被編譯器默認使用。在IAR的編譯器中,有一個選項可以避免在編譯過程中使用到R4、R5。
這兩點MSP430都可以做到。
下面對一個正在運行的優(yōu)先級為6的任務中斷后,會發(fā)生的幾種情況進行分析。
1)在中斷的處理過程中沒有更高優(yōu)先級的中斷產生,即不會產生中斷嵌套。
圖3所示為中斷發(fā)生后對于任務優(yōu)先級為6的任務堆棧所進行的操作。中斷發(fā)生后,PC和SR被系統(tǒng)壓棧②,對于IAR C編譯器來說,會按照復雜度不同的中斷服務程序的要求,默認地進行一些寄存器的壓棧操作③。因為我們要求的堆棧格式是如圖2所示的,我們要把SP調整到 SR后面④,然后進行R4~R15的壓棧操作,形成我們所要求的堆棧格式⑤。
進行任務堆棧的壓棧工作以后,就可以調整SP的指針到系統(tǒng)堆棧了,如圖4所示。壓棧后的SP指向最后一個壓棧內容①。我們把SP的值賦值給優(yōu)先級6任務的TCB->OSTCBStkPtr,以便進行任務調度的時候出棧使用②。接著,就把SP調整到系統(tǒng)堆棧處③。在中斷處理過程中,可能會出現(xiàn)壓棧的操作,那么這種情況下SP的指針會隨之移動。由于現(xiàn)在是中斷堆棧中,所以不會破壞任務堆棧的格式。
由于沒有中斷嵌套,在中斷處理中沒有別的中斷發(fā)生,那么返回的步驟和上述的進棧操作正好相反。在中斷處理完了以后,SP會自動回到圖4中③的SP位置。接著,系統(tǒng)會查詢到優(yōu)先級最高的任務,然后把SP的指針移到優(yōu)先級最高的任務的任務堆棧,進行 R15~R4的出棧工作,最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務。因為我們把所有的任務堆棧都規(guī)定成相同的格式,所以它們之間不會產生問題。這里需要注意的是,因為系統(tǒng)在C編譯器的中斷處理中會對中斷進入時默認壓棧的寄存器出棧,所以在設計出棧的程序時,要先把這些內容壓棧,這樣才能正確出棧。
2)在中斷的處理過程中,有別的中斷產生,產生中斷嵌套。
如圖5所示,由于在處理中斷的時候,SP已經被移到系統(tǒng)堆棧去了,只有當中斷退出的時候才可能把SP移到別的任務的任務堆棧中。所以在中斷的時候進行中斷嵌套,那么對于中斷的處理和第一次是一樣的,所不同的是,這次保存在堆棧中的不是任務運行中的寄存器,而是中斷處理中的寄存器,而且是保存在系統(tǒng)堆棧中而不是任務堆棧中。從這里就可以看出優(yōu)化內存的效果。所有的中斷嵌套中的寄存器壓棧都壓在系統(tǒng)堆棧中,這樣對于任務堆棧內存大小的要求大大降低。
因為uC/OS II在進入中斷中,會把全局變量OSIntNesting++;在退出中斷的時候,又會把OSIntNesting--。在退出中斷進行任務切換之前,uC/OS II會先判斷OSIntNesting是否為0,是0才會進行任務調度。當?shù)诙袛噙\行結束以后,退出中斷嵌套的時候, OSIntNesting不為0,也就不會進行任務調度。因此,仍舊在系統(tǒng)堆棧出棧,那么系統(tǒng)會繼續(xù)前面沒有完成的中斷服務程序。
接著退出中斷的順序和非中斷嵌套的順序是一樣的。在中斷處理完以后,SP會自動回到圖4中③的SP位置。接著,系統(tǒng)會查詢到優(yōu)先級最高的任務,然后把SP的指針移到優(yōu)先級最高的任務的任務堆棧。進行R15~R4的出棧工作,最后用RETI中斷返回指令返回到新的任務。
中斷的情況基本上就是上述兩種。對于有些文獻中提到的在中斷中會調度到更高優(yōu)先級的任務的情況,筆者覺得是不應該發(fā)生的。因為從上面的分析可以看出,默認的(uC/OS II的設計思路)中斷處理會同時對全局變量OSIntNesting進行增減處理,
以給出是否需要任務調度的條件。那么即使在中斷服務程序中把更高優(yōu)先級的任務就緒,也會等到中斷退出以后再進行調度,除非是在中斷中直接調用更高優(yōu)先級的任務函數(shù)。但這種方法應該是和uC/OS II的原則相違背的,沿用的是以前前后臺設計的思路。
對于這樣的設計方式,時鐘節(jié)拍的處理方式必須和一般的中斷處理方式是一樣的。一般來說,MSP430使用WATCHDOG時鐘中斷作為時鐘節(jié)拍的產生源。從本質上來說,時鐘節(jié)拍本身也是中斷處理過程,所以對于時鐘節(jié)拍的處理應該和其它的中斷處理過程相同。實際上,在時鐘節(jié)拍的處理過程中也可能會存在中斷嵌套的問題。
中斷堆棧和任務堆棧分離設計的程序流程如圖6所示。
4 幾點建議
- 編寫中斷程序的時候,有條件盡量使用匯編語言。因為這樣可以避免一些編譯器自己進行的操作,減少指針調整的次數(shù)。
- 在用C編寫中斷服務的時候,因為有些功能必須調用匯編的函數(shù)才能實現(xiàn)。調用函數(shù)時,有些時候壓棧的PC會破壞堆棧的結構。這個時候需要把堆棧進行適當?shù)恼{整,保證堆棧格式的正確。
- 中斷處理過程中調用OSIntExit()的時候,由于 uC/OS II的原始設計中SP指針有時是不調整的,所以在OSIntExit()返回了以后,還要判斷一下是否中斷嵌套。因為有的時候是需要切換任務的。
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