深入分析uCOS的任务堆栈

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堆栈作用的就是用来保存局部变量，从本质上讲也就是将CPU寄存器的值保存到RAM中。在uCOS中，每一个任务都有一个独立的任务堆栈。为了深入理解任务堆栈的作用，不妨分析任务从“出生”到“消亡”的整个过程，具体就是分析任务的建立，运行，挂起几种状态中任务堆栈的变化情况。

现在假设系统运行着一个由用户创建的用以完成打印工作的任务TPrint。TPrint最初通过OSTaskCreate()函数创建，在该函数中与任务堆栈有关的第一段代码是大家比较熟悉的函数OSTaskStkInit()，这个函数是在uCOS移植过程中必须实现的，其作用是“初始化堆栈”,其实就是预先在RAM中的一块区域中把任务将来运行开始时CPU寄存器应处的状态（正确值）准备好，之后，任务第一次被内核调度器调度运行时，将这些准备好的数据（寄存器的值）推到CPU的寄存器中，如果数据设计的合理，CPU便会按照我们预先设计好的思路运行。所以，“初始化堆栈”实际上是做了一个“未雨绸缪”的工作。这个过程中有两点是必须慎重考虑的，一是PC该如何定位，二是CPU的其它寄存器(除PC之外)该怎么处理。先说第一点，因为任务是第一次运行，而任务从本质上将就是一段代码，所以PC指针应该定位到这段代码的第一行处，即所谓的入口地址(Entry Point)处，这个地址由任务指针保存着，所以把该指针值赋给PC即可。第二，这段代码还未被执行过，所以代码中的变量与CPU的其它寄存器一点关系也没有，因此R0-R12，R14可随便给值，或者不赋值也可，让这些寄存器保持原来的值，显然后者更为简单。最后再给CPSR赋值，用户可以根据实际需要使系统运行于系统模式或管理模式。经过入栈和出栈，此时SP指向任务堆栈的最底端（就是已经定义好的任务堆栈数组的最后一个元素）。

之后任务代码开始正式运行，因为CPU的寄存器是有限的，所以在运行时不可避免地要把一些临时变量暂时保存到堆栈中。具体应保存到哪个地址呢，不用担心，SP知道（任务第一次运行时，这个地址就是任务堆栈数组的最后一个元素的地址）。任务堆栈的大小和任务代码中临时变量的数目有关，如果这段代码临变量特别多，堆栈就应设计的大一些。

然后，TPrint任务由于某种原因将要被挂起，所以应把任务的运行现场放到堆栈里保护起来，TPrint任务再次运行时再把这个现场还原，任务就能从上次断点处紧接着运行。那么，这个现场是什么呢？从本质上讲，TPrint任务的运行过程就是CPU在执行一段特定的代码，所以这个现场就是CPU的现场，也就是寄存器的值。这些寄存器的值包含了代码执行时的所有信息，包括当前运行到了这段代码的哪个位置处（由PC值指明）。因此，把CPU的寄存器的值推入堆栈，然后记住栈顶指针的位置（SP由OSTCBCur->OSTCBStkPtr保存），当任务再次将要运行前，从SP指向的地址处依次把先前保存的CPU寄存器的值放到CPU的寄存器中，任务就可以从上次中断的地方准确无误地执行。这个过程就像突然把任务冻结了，与任务有关的任何东西都不能动了，一段时间之后又把任务解冻，与它有关的东西又变得可用，于是任务又可以活蹦乱跳地跑起来了。

从以上分析可以看出，任务堆栈至始至终伴随着任务，与之生死与共，它的作用可以概括为两点：第一，当任务运行时，它用来保存一些局部变量；第二，当任务挂起时，它负责保存任务的运行现场，也就是CPU寄存器的值。有些朋友正是忽视了第一点，产生了“任务堆栈大小应是固定值的疑问”。我感觉，这可能与对函数OSTaskStkInit()的理解有关，我们都称之为堆栈初始化函数，但此处的“初始化”与我们理解的初始化不太一样，平时讲的（变量的）初始化似乎指的是将变量的所有成员都一一初始化。而此处的堆栈的初始化仅仅是初始化了很大一个堆栈的一小部分，因为当前只有这部分是有用的，而剩余的大部分用不到，所以不用初始化，就像有些变量不用初始化一样（有默认值或随机值）。更深入一点考虑，当任务挂起时，任务堆栈中保存任务挂起前CPU寄存器的这一连续的区域肯定在整个堆栈的最上面；当任务重新开始运行时，SP弹出寄存器的值，这段区域变成空白的区域。而且，任务每次挂起前用来保存当前CPU寄存器这一连续区域在整个任务堆栈空间中是浮动的。