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Small RTOS51 学习笔记（6）如何切换任务（上）

news 来源：原创 2024/9/20 9:18:40

个人笔记，主要内容均来自原文

文章目录

CPU 可以执行多个任务的原因
CPU 怎样运行才能执行多个任务
何时进行任务切换
Small RTOS51 任务切换时的程序框图
数组 OSTsakStackBotton[] 和 Small RTOS51 的堆栈结构
变量 OSFastSwap
常数数组 OSMapTb[]

CPU 可以执行多个任务的原因

原文从汇编指令的角度描述了 CPU 可以同时执行多个任务的原因，我不太理解原理，所以只把结论记录一下，以下结论摘自原文。

对于一段程序，如果能保证以下条件，程序的执行结果是一致的：

CPU 执行了同样的指令序列，不管指令是从哪里来的，中间是否插入了别的指令；
所有指令执行时所需的关键数据一样，不管数据存储的位置。

所有的多任务操作系统都利用了这样这样一个事实：让任务轮流执行，又让每一个任务满足以上两点。当速度足够快时，人们就认为多个任务在同时运行时，而且人们看到每个任务都运行正确（只是速度变慢了）。

CPU 怎样运行才能执行多个任务

当一个任务从某个地址开始存放代码，另一个任务就不可以在那里存放不同的代码，也就是说各个任务所占用的代码空间不可以重叠。另外各个任务所占用的数据空间也不可以重叠。

不过我们一般使用高级语言编写程序，即使需要使用汇编，也是用宏汇编，极少使用小汇编，这样，编译器或汇编器就会产生与位置无关的代码，让连接器来确定代码和数据存放的位置。也就是说，无论代码和数据放到任何位置，程序都能正确执行。这样的话，就满足了上一章的条件一。

同样，连接器也将各个任务的数据分配到不同的空间，所以上一章的条件二也已满足。但连接器不会为每一个任务分配独立的堆栈，如果此时多个任务交叉运行，就会破坏这些任务的堆栈数据。所以操作系统要为每个任务分配独立的堆栈，并在任务切换时改变堆栈指针。

另外，各个任务会共享寄存器，所以需要在任务切换时对每个任务的寄存器值进行保存和恢复，这些寄存器值存放在上面提到的各个任务的独立堆栈中。

到这里，CPU 就可以执行多个任务了。

何时进行任务切换

对于协作式操作系统（如 Windows 3.1 和一些免费的 RTOS 等），任务切换是在任务主动放弃 CPU 时进行的；对于基于时间片轮询调度算法的操作系统（如 RTX51Tiny），任务切换除了发生在任务主动放弃 CPU 时外，还会发生在任务的时间片使用完时；对于基于有优先级的抢占式的操作系统，有两种方法能中断当前任务而运行另一个任务：一种是任务自己放弃 CPU，另一种是中断服务程序让更高优先级任务就绪，出中断后进行任务切换。

有一些操作系统既有优先级调度算法，又有时间片轮询调度算法。Small RTOS51 是完全基于有优先级的抢占式的操作系统。

Small RTOS51 任务切换时的程序框图

图片摘自原文：
在这里插入图片描述

数组 OSTsakStackBotton[] 和 Small RTOS51 的堆栈结构

不知道为什么是 Tsak，原文和源码都是 Tsak，难道不是 Task ？
Small RTOS51 把所有的内部自由 RAM 空间分配给当前任务。为了顺利进行堆栈变化，Small RTOS51定义了一个数组 OSTsakStackBotton[] 保存所有任务的顶端和低端位置，它的定义如下：

uint8 idata * data OSTsakStackBotton[OS_MAX_TASKS + 2];/* 任务堆栈底部位置            */

在 CPU 初始化函数中，将每个任务的 OSTsakStackBotton[] 赋值为系统堆栈的首地址，后续如何操作这里暂不研究。

/*********************************************************************************************************
** 函数名称: OSCPUInit
** 功能描述: Small RTOS 与系统相关的初始化
** 输　入: 无
** 输　出 : 无
** 全局变量: OSTaskID,OSTsakStackBotton,SP
** 调用模块: LoadCtx
** 
** 作　者: 陈明计
** 日　期: 2002年2月22日
**-------------------------------------------------------------------------------------------------------
** 修改人:
** 日　期:
**-------------------------------------------------------------------------------------------------------
********************************************************************************************************/
        void OSCPUInit(void)  small
{
    uint8 i;

    for (i = 0; i < OS_MAX_TASKS + 1; i++)
    {
        OSTsakStackBotton[i] = STACK;
    }
    OSTsakStackBotton[OS_MAX_TASKS + 1] = (uint8 idata *)(IDATA_RAM_SIZE % 256);
    
}

变量 OSFastSwap

#if OS_MAX_TASKS < 9            
uint8 data OSFastSwap[1];                        /* 任务是否可以快速切换 */
#else
uint8 data OSFastSwap[2];
#endif

任务快速切换的标志，当 OSFastSWap[] 中某一位为 0 时，表示这一位对应的任务是通过中断被强制放弃 CPU 时间的，之后它获得 CPU 时间而继续运行时，必须从该任务的堆栈中恢复所有寄存器；当 OSFastSWap[] 中某一位为 1 时，表示这一位对应的任务是通过调用内核函数主动放弃 CPU 时间的，之后它获得 CPU 时间而继续运行时，只需切换 PC 指针，不需要恢复寄存器。

原理：Keil C51 编译器在编译 C 语言程序时，如果一个函数调用了一个外部函数，当这个函数返回时，R0~R7、ACC、B、PSW、DPH 和 DPL 等寄存器会发生变化。因此不需要提前保存寄存器的值。

常数数组 OSMapTb[]

该数组在前面的笔记中也有所提及，主要用来对标志的置位和复位。数组里的值对应的是任务ID在某些数据中对应的偏移量。

uint8 const OSMapTbl[] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x00};

下面是内核代码中关于 OSMapTb[] 的例子（这个数组的值其实就是对 0x1 进行了适当的偏移）

        if ((OSTaskCreated[0] & OSMapTbl[TaskID]) != 0)
        {
            return FALSE;
        }
        OSTaskCreated[0] |= OSMapTbl[TaskID];
        OSTaskRuning[0] |= OSMapTbl[TaskID];