uC/OS-II学习笔记之任务

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本文介绍了uC/OS-II操作系统的任务管理机制，包括任务的状态转换、任务控制块的结构和功能、就绪表的工作原理以及任务调度的具体实现。

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一个任务也称做一个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为CPU完全只属于自己。实时应用程序的设计过程包括如何把问题分割成多个任务。每个任务都是整个应用的一部分，都被赋予一定的优先级，有自己的一套CPU寄存器和栈空间。

任务状态：休眠态，就绪态，运行态，挂起态及被中断态。

睡眠态：指任务驻留在程序空间（ROM或RAM）还没交给uC/OS-II来管理。把任务交给uC/OS-II是通过函数OSTaskCreate()或函数OSTaskCreateExt()来实现的。这两函数告诉uC/OS-II任务的起始地址在哪？任务创建时用户给任务赋予的优先级是多少？任务要使用多少栈空间？等等。
就绪态：任务一旦建立就进入就绪态准备运行。任务的建立可以是在多任务运行开始之前，也可以动态的由一个运行着的任务建立。如果多任务已经启动，且一个任务是被另一个任务建立的，而新建立的任务的优先级高于建立它的任务的优先级，则这个刚刚建立的任务将立即得到CPU的使用权。一个任务可以通过调用OSTaskDel()返回到睡眠态，或通过调用该函数让另一个任务进入休眠态。
运行态：调用OSStart()可以启动多任务。OSStart()函数只能在启动时调用一次，该函数运行用户初始化代码中已经建立的、进入就绪态的、优先级最高的任务。优先级最高的任务就这样进入了运行态。任何时刻只能有一个任务处于运行态。就绪态的任务只有当优先级比他高的任务转为等待态或被删除了，才能进入运行态。
等待态：正在运行的任务可通过调用函数OSTimeDly()或函数OSTimeDlyHMSM()，将自身延时一段时间，从而进入等待态。这个2个函数会立即强制执行任务切换，让下一个就绪态中优先级最高的任务运行。等待时间到了后，系统服务函数OSTimeTick()时延时了的任务进入就绪态。正在运行的任务可能需要等待某一事件的发生，可以通过调用一下函数之一实现：OSFlagPend()，OSSemPend()，OSMutexPend()，OSMboxPend()或OSQPend()。如果某个事件未发生，调用上述函数的任务就进入了等待态，直到等待的事件发生了。当任务因等待事件被挂起时，下一个优先级高的任务得到CPU的使用权。当事件发生了或等待超时，被挂起的任务就将入就绪态。事件发生的报告可能来自另一个任务，也可能来自中断服务字程序。
中断服务态：正在运行的任务是可以被中断的，除非中断被关闭。被中断了的任务于是进入了中断服务态。响应中断时，正在执行的任务被挂起，中断服务子程序控制了CPU的使用权。中断服务子程序可能会报告一个或多个事件的发生，而使一个或多个任务进入就绪态。在这种情况下，从中断服务子程序返回之前，uC/OS-II要判断被中断的任务是否还是就绪任务中优先级最高的。如果中断服务子程序使另一个优先级更高的任务进入了就绪态，则新进入就绪态的这个优先级更高的任务就得以运行；否则原来被中断了的任务将继续运行。

当所有的任务都在等待态时，uC/OS-II将执行空闲任务，即OSTaskIdle()。

任务控制块（OS_TCB）

一旦任务建立，一个任务控制块就被赋值。任务控制块是一个数据结构，当任务的CPU使用权被剥夺时，uC/OS-II用它来保护该任务的状态。当任务重新得到CPU使用权时，任务控制块能够确保任务从当时被中断初丝毫不差的继续执行。OS_TCB全部驻留在RAM中。

typedef struct os_tcb
{
   OS_STK       *OSTCBStkPtr; /* 指向当前任务堆栈栈顶的指针 */
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0
   void        *OSTCBExtPtr;    /* 指向用户定义的任务控制块扩展的指针 */
   OS_STK     *OSTCBStkBottom;    /* 指向任务堆栈栈低的指针，用户可以用它来确定任务实际需要的栈空间 */
   INT32U       OSTCBStkSize;    /* 栈中可容纳的指针元数目 */
   INT16U       OSTCBOpt;    /* 创建任务时给任务创建扩展函数传递的选择项 */
   INT16U       OSTCBId; /* 用于存储任务的ID，预留 */
#endif
   struct os_tcb   *OSTCBNext; /* 用于任务控制块OS_TCB双向链表的前链接 */
   struct os_tcb   *OSTCBPrev; /* 用于任务控制块OS_TCB双向链表的后链接 */
#if ((OS_Q_EN > 0)&&(OS_MAX_OS > 0)) || (OS_MBOX_EN > 0) || (OS_SEM_EN > 0) || (OS_MUTEX_EN > 0)
   OE_EVENT   *OSTCBEventPtr;    /* 指向事件控制块的指针 */
#endif
#if ((OS_Q_EN > 0)&&(OS_MAX_OS > 0)) || (OS_MBOX_EN > 0)
   void       *OSTCBMsg; /* 指向传递给任务的消息的指针 */
#endif
#if (OS_VERSION >= 251)&&(OS_FLAG_EN > 0)&&(OS_MAX_FLAG > 0)
#if OS_TASK_DEL_EN > 0
   OS_FLAG_NODE   *OSTCBFlagNode; /* 指向事件标志节点的指针 */
#endif
   OS_FLAGS   OSTCBFlagRdy;    /* 当任务等待事件标志组时使任务进入就绪的事件标志 */
#endif
   INT16U       OSTCBDly;    /* 任务延时时间 */
   INT8U       OSTCNStat; /* 任务的状态字，当等于OS_STAT_READY时任务进入就绪态 */
   INT8U       OSTCBPrio; /* 任务的优先级，值越小任务的优先级越高 */
   INT8U       OSTCBX; /* = priority >> 3 */
   INT8U       OSTCBY; /* = OSMapTbl[priority >> 3] */
   INT8U       OSTCBbitX; /* = priority & 0x07 */
   INT8U       OSTCBBitY; /* = OSMapTbl[priority & 0x07] */
#if OS_TASK_DEL_EN > 0
   BOOLEAN       OSTCBDelReq /* 表示该任务是否需删除 */
#endif
} OS_TCB;

应用程序中可以有的最多任务数（OS_MAX_TASKS）已经在文件OS_CFG.H中定义。这个最多任务数也决定了分配给用户程序的任务控制块OS_TCB的数目，将OS_MAX_TASKS的数目设置为用户应用程序实际需要的任务数，可以减小RAM的需求量。所有的任务控制块OS_TCB都是放在任务控制块列表数组OSTCBTbl[]中的。

在uC/OS-II初始化时，所有任务控制块OS_TCB都被链接成单向空任务链表。任务一旦建立，空任务控制块指针OSTCBFreeList指向的任务控制块便赋给了该任务，然后OSTCBFreeList的值调整为指向链表中下一个空的任务控制块。一旦任务被删除，任务控制块就还给空任务链表。

任务建立时，函数OS_TCBInit()初始化任务控制块OS_TCB，函数OSTaskCreate()或函数OS_TaskCreateExt()调用任务控制块初始化函数OS_TCBInit()。

就绪表

就绪表是记录进入就绪态的任务的一张表。当任务进入就绪态时uC/OS-II会根据任务优先级在就绪表中设置该任务就绪标志位，当任务退出就绪态时uC/OS-II会根据任务优先级在就绪表中清除该任务就绪标志位，当需要进行任务调度时uC/OS-II会根据就绪表找出优先级最高的就绪任务进入运行态。

每个就绪的任务都放在就绪表中，就绪表中有2个变量：OSRdyGrp和OSRdyTbl[]。就绪表中每8位为一组，即8个任务按优先级分为一组。每组任务就绪状态存放在OSRdyTbl[i]中，OSRdyTbl[i]中的8个位对于8个任务，每一位表示每个不同优先级任务的就绪状态。OSRdyTbl[i]中的任何一位是1时，OSRdyGrp的第i位置1。

使任务进入就绪态

OSRdyGrp |= OSMapTbl[prio >> 3]; /* prio右移3位相当于prio/8，即将任务按每8个任务为一组进行分组。*/

OSRdyTbl[prio >> 3] |= OSMapTbl[prio & 0x07]; /* 将该优先级任务相应组中的相应位置1。 */

OSMapTbl[]存放的是掩码

OSMapTbl[]的值
数组下标	数组掩码值(二进制)
0	00000001
1	00000010
2	00000100
3	00001000
4	00010000
5	00100000
6	01000000
7	10000000

使任务脱离就绪态

if ((OSRdyTbl[prio >> 3] &= ~OSMapTbl[prio & 0x07]) == 0) /* 将该优先级的任务相应组中的相应位清0 */

OSRdyGrp &= ~OSMapTbl[prio >> 3]; /* 如果该组中没有就绪任务，则把该组清除 */

找出进入就绪态的优先级最高的任务

y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

x = OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];

prio = y << 3 + x;

为了找到进入就绪态的优先级最高的任务，并不需要从OSRdyTbl中开始扫描任务就绪表，只需查另一张表，即优先级判定表OSUnMapTbl[256]。从优先级判定表中算出优先级值，利用这个优先级值查任务控制块优先级表OSTCBPrioTbl[]，得到指向相应任务的任务控制块OS_TCB。

任务调度

uC/OS-II总是运行进入就绪态任务中优先级最高的任务。确定哪个任务优先级最高，下面该哪个任务运行了，这个工作是由调度器完成的。任务级的调度是由函数OSSched()完成的，中断级的调度是由OSIntExt()完成的。uC/OS-II中任务调度的执行时间是常数。

void OS_Sched(void)

{

#if OS_CRITICAL_METHOD == 3

OS_CPU_SR cpu_sr;

#endif

INT8U y;

OS_ENTER_CRITICAL(); /* 进入临界代码段，关中断。 */

if ((OSInitNesting == 0) && (OSLochNesting == 0)) /* 调度是否来自中断服务子程序，或调用了任务调度上锁函数 */

{ /* 如果没有则进入就绪表找出优先级最高的就绪任务 */

y = OSUnmapTbl[OSRdyGrp];

OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);

if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) /* 检查找出的任务是否为当前运行的任务 */

{ /* 如果不是则获取优先级最高任务的任务控制块 */

OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];

OSCtxSwCtr++; /* 任务调度次数计数 */

OS_TASK_SW(); /* 调用OS_TASK_SW()完成实际上的任务切换 */

}

OS_EXIT_CRITICAL(); /* 推出临界代码段，开中断 */

}

任务级的任务切换OS_TASK_SW()

任务的上下文其实就是CPU中的全部寄存器内容，上下文切换就是任务切换。任务切换代码须恢复该任务在CPU使用权被剥夺时保存下来的全部寄存器的值，以便让这个任务能继续运行。

OS_TASK_SW()是宏调用，通常含有微处理器的软中断指令，因为uC/OS-II假定任务切换是靠中断级代码完成的，uC/OS-II需要的是一条处理器指令，其行为就像是硬件中断（所以称为软中断）。uC/OS-II使用宏定义，将与实际处理器相关的软件中断机制封装起来，使之可以在多种处理器开发平台上移植。