本文深入剖析uCOS-II实时操作系统中任务切换的原理与流程，详细介绍了硬件上下文的概念，包括寄存器状态和堆栈管理。文章还探讨了uCOS-II如何利用任务控制块（TCB）保存和恢复任务状态，以及通过模拟中断实现任务切换的具体步骤。
前言
从 C51+uCos-II 简单介绍下任务切换的原理
方便大家更形象的理解多任务怎么切换
为后续写 x86+Linux 任务切换做铺垫练手吧
参考资料如下：
uCos-II 源码
《单片机原理与应用及 C51 编程技术》
《C51》
《基于单片机 8051 的嵌入式开发指南》
硬件上下文及中断返回
首先了解下硬件上下文以中函数调用，中断调用及返回
C51 硬件上下文
所谓硬件上下文吧，可以简单理解为 CPU 核心硬件寄存器，因为硬件是不同任务共用的，所以针对不同的任务，总会有一部分寄存器配置是
不一样的，这些不一样的需要各个任务自己保存好，针对 C51 呢，其硬件上下文有如下部分：
A(ACC): 8 位累加寄存器
B: 工作寄存器，为乘法和除尘指令设置，可作中间寄存器
PSW: 程序状态寄存器
PC: 存放 CPU 要执行的下一条指令的地址
SP: 堆栈寄存器
DPTR(DPH+DPL): 为 16 位数据指针寄存器
R0-R7: 通用寄存器
这就是硬件上下文简单介绍
函数调用及返回
函数调用寄存器传参规则
函数返回寄存器传参规则：
中断调用规则：
1. 在函数被调用时，将 A,B,DPH,DPL,PSW 保护在堆栈上
2. 如果工作寄存器未说明为 using 属性，所有的工作寄存器保护在堆栈上
3. 保护的 SFR 和寄存器在函数退出时恢复
4. 函数以 RETI 结束
实现任务切换主要是通过软件设置堆栈，模拟中断完成实现的。
任务上下文
针对 uCos 任务用一个任务控制块表示
typedef struct os_tcb {
OS_STK *OSTCBStkPtr; /* 指向任务栈的栈顶 */
。。。
} OS_TCB;
上面乍看乱糟糟的一堆，相关的也就是，实际上用来保存硬件上下文的就是第一个参数
OS_STK *OSTCBStkPtr; /* 指向任务栈的栈顶 */
任务初始化堆栈就是在这里保存的，顺序如下：
* : 任务栈结构示意图(杨屹)
*
* ---------- -
* 用户栈最高地址---->| | |
* ---------- |
* | ... | 仿真堆栈空间
*---------- ---------- | 每任务一个
*|OSTCBCur| ?C_XBP---->| | | KEIL自动处理
*---------- ---------- -
* | |空闲间隔|
* | ----------------------- ---------- ----------
* \---->|OSTCBCur->OSTCBStkPtr| |?C_XBP低| SP---->| |
* ----------------------- ---------- ----------
* | |?C_XBP高| | |
* | ---------- - ----------
* | | | | | . |
* | ---------- | | . |
* | | | | | . |
* | ---------- | ----------
* | | . |长度 | | +1
* | | . | | ----------
* | | . | | OSStack---->| | 0
* | ---------- | ----------
* | |函数地址| | OSStkStart---->| 不关心 | -1 低地址
* | ---------- - ----------
* \------------->| 长度 | 低地址 系统硬件堆栈
* ----------
* 用户堆栈 长度=SP-OSStkStart
*********************************************************************************************************
void *OSTaskStkInit(void(*task)(void *pd), void *ppdata, void *ptos, INT16U opt) REENTRANT
{
OS_STK *stk;
ppdata=ppdata;
opt =opt; /* opt没被用到，保留此语句防止警告产生 */
stk =(OS_STK *)ptos; /* 任务堆栈最低有效地址 */
*stk++=15; /* 任务堆栈长度 */
*stk++=(INT16U)task & 0xFF; /* 任务代码地址低8位 */
*stk++=(INT16U)task >> 8; /* 任务代码地址高8位 */
/* 处理器是按特定的顺序将寄存器存入堆栈的，所以用户在将寄存器存入堆栈的时候也要依照这一顺序 */
*stk++=0x00; /* PSW */
*stk++=0x0A; /* ACC */
*stk++=0x0B; /* B */
*stk++=0x00; /* DPL */
*stk++=0x00; /* DPH */
*stk++=0x00; /* R0 */
*stk++=0x01; /* R1 */
*stk++=0x02; /* R2 */
*stk++=0x03; /* R3 */
*stk++=0x04; /* R4 */
*stk++=0x05; /* R5 */
*stk++=0x06; /* R6 */
*stk++=0x07; /* R7 */
/* 不用保存 SP，任务切换时根据用户堆栈长度计算得出 */
*stk++=(INT16U)(ptos+MAX_STK_SIZE) >> 8; /* ?C_XBP 仿真堆栈指针高8位 */
*stk++=(INT16U)(ptos+MAX_STK_SIZE) & 0xFF; /* ?C_XBP 仿真堆栈低8位 */
return ((void *)ptos); /* 返回最低地址，这里不用弹出栈顶指针是为了提高计算效率 */
}
注意：这里的 ?C_XBP 是用于 C51 的仿真堆栈的，用于函数重载用的，因为默认 C51 函数不支持重载
切换代码流程
总体上流程就是
1. 任务 1 硬件上下文保存到任务1的任务控制块 OS_TCB 中
2. 将任务 2 的任务控制块中的堆栈恢复到硬件堆栈中，并模拟成中断返回前堆栈格式
3. 通过 RETI 模拟中断返回，弹出包含任务 2 的硬件堆栈，实现跳转到 任务 2 执行
相关变量解释
OSStkStart: 硬件堆栈地址
OSTCBCur: 当前运行要被切出的任务
OSTCBHighRdy: 当前要被切入的任务
换入代码流程
任务切换一般发生在 OSTimeDly() 函数中，调用流程为：
OSTimeDly (INT16U ticks)
OS_Sched();
OS_TASK_SW();
#define OS_TASK_SW() OSCtxSw() /* 任务级的任务切换宏 */
OSCtxSw: ; 汇编实现的芯片相关的任务切换宏
软件上分四步：
1. PUSHALL: 当前硬件寄存器先保存到硬件堆栈中
2. 调用 OSIntCtxSw_in: 将要硬件堆栈保存到换出的任务堆栈中
3. 调用 OSCtxSw_in: 将换入的任务堆栈恢复到硬件堆栈中
4. 调用 RETI 出硬件堆栈，完成任务切换
OSCtxSw:
USING 0
PUSHALL ; 所有当前硬件寄存器压入硬件系统堆栈
OSIntCtxSw_in:
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;获得硬件堆栈长度和起始地址，任务栈结构示意图(OS_CPU_C.C)
;; R5: 硬件堆栈长度
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOV A,SP
CLR C ;进位标志位Cy清零
SUBB A,#OSStkStart ;A <- A-OSStkStart-Cy
MOV R5,A ;获得硬件堆栈长度
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; DPTR: 指向当前需要被切出的任务
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;OSTCBCur ==> DPTR 获得当前TCB指针
MOV R0,#LOW (OSTCBCur) ;获得OSTCBCur指针低地址，指针占3B。+0类型 +1高8位数据 +2低8位数据
INC R0 ;指向地址的高8位
MOV DPH,@R0 ;全局变量OSTCBCur在IDATA中
INC R0 ;指向地址的低8位
MOV DPL,@R0
;此时 DPL,DPH 中存放的是系统当前任务控制块的地址
;OS_TCB结构的第一个数据项
;typedef struct os_tcb {
;OS_STK *OSTCBStkPtr; /* 指向任务栈的栈顶 */
;指针占3B。+0类型 +1高8位数据 +2低8位数据
;OSTCBCur->OSTCBStkPtr ==> DPTR 获得用户堆栈指针
INC DPTR ;指针占3B。+0类型 +1高8位数据 +2低8位数据
MOVX A,@DPTR ;OSTCBStkPtr是void指针
MOV R0,A
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
MOV R1,A
MOV DPH,R0
MOV DPL,R1
;此时 DPL,DPH 中存放的是系统当前任务的用户堆栈结构
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;保存硬件堆栈长度用户堆栈中
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOV A,R5
MOVX @DPTR,A
MOV R0,#OSStkStart ;指向硬件堆栈起始地址
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; R0: 硬件堆栈
;; DPTR: 要被切出的任务堆栈
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 将硬件堆栈保存到软件堆栈中，顺序参考 PUSHALL
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
INC DPTR
INC R0
MOV A,@R0
MOVX @DPTR,A
DJNZ R5,save_stack
;保存仿真堆栈指针?C_XBP
INC DPTR
MOV A,?C_XBP ;?C_XBP 仿真堆栈指针高8位
MOVX @DPTR,A
INC DPTR
MOV A,?C_XBP+1 ;?C_XBP 仿真堆栈指针低8位
MOVX @DPTR,A
;调用 Hook 程序
LCALL _?OSTaskSwHook
; R0: 当前任务
; R1: 要换入的任务
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;全局变量修改： OSTCBCur = OSTCBHighRdy
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOV R0,#OSTCBCur
MOV R1,#OSTCBHighRdy
MOV A,@R1
MOV @R0,A
INC R0
INC R1
MOV A,@R1
MOV @R0,A
INC R0
INC R1
MOV A,@R1
MOV @R0,A
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;全局变量修改： OSPrioCur = OSPrioHighRdy 使用这两个变量主要目的是为了使指针比较变为字节比较，以便节省时间
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOV R0,#OSPrioCur
MOV R1,#OSPrioHighRdy
MOV A,@R1
MOV @R0,A
LJMP OSCtxSw_in
OSCtxSw_in:
;/* 取得最高优先级任务的堆栈地址*/
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; DPTR = 要换入的任务堆栈
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
MOV R0,#LOW (OSTCBHighRdy) ;获得OSTCBHighRdy指针低地址，指针占3B。+0类型 +1高8位数据 +2低8位数据
INC R0
MOV DPH,@R0 ;全局变量OSTCBHighRdy在IDATA中
INC R0
MOV DPL,@R0
;此处 DPL,DPH 中存放的是当前就绪优先级的 TCB 指针
;OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr ==> DPTR 获得用户堆栈指针
INC DPTR ;指针占3B。+0类型 +1高8位数据 +2低8位数据
MOVX A,@DPTR ;OSTCBStkPtr是void指针
MOV R0,A
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
MOV R1,A
MOV DPH,R0
MOV DPL,R1
;此处 DPL,DPH 中存放的最高优先级任务(即要换入的任务)的用户堆栈指针
; DPTR: 指向要换入的用户堆栈
;*UserStkPtr ==> R5 用户堆栈起始地址内容(即用户堆栈长度放在此处)
MOVX A,@DPTR ;用户堆栈中是 unsigned char 类型数据
MOV R5,A ;R5 = 用户堆栈长度
;获取硬件堆栈地址
MOV R0,#OSStkStart;OSStkStart 是系统堆栈的起始地址
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
; DPTR: 指向要换入的用户堆栈
; R0: 指向硬件堆栈
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
restore_stack:
;系统中的堆栈的入栈顺序是自己做的一个。。。。。
;具体的堆栈顺序在 POPALL,PUSHALL中
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
;; 将用户堆栈复恢复到硬件堆栈中
;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;
INC DPTR
INC R0
MOVX A,@DPTR
MOV @R0,A
DJNZ R5,restore_stack
; 因为是通过 R0 模拟 SP 访问的硬件堆栈，此时 R0 指向硬件堆栈堆栈顶了， 51 是堆栈是向上长的
; 这里是同步 SP 到栈顶？
MOV SP,R0
;恢复仿真堆栈指针 ?C_XBP
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
MOV ?C_XBP,A ;?C_XBP 仿真堆栈指针高8位
INC DPTR
MOVX A,@DPTR
MOV ?C_XBP+1,A ;?C_XBP 仿真堆栈指针低8位
POPALL ;这句的任务是将系统堆栈恢复到各个寄存器中去了
SETB EA ;开中断
RETI ;从堆栈中弹出断点地址并装入PC中，使CPU回到原来主程序的断点处继续运行
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