使用C語言setjmp庫函烽實現(xiàn)查詢式協(xié)作多任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計

討論一個利用標(biāo)準(zhǔn)C語言setjmp庫函烽實現(xiàn)查詢式協(xié)作多任務(wù)系統(tǒng)，給出完整的內(nèi)核和樣例程序并對源代碼進(jìn)行說明。該系統(tǒng)具有簡單易用的特點，只需要編寫存取堆棧指針的宏就可方便地移植到新的平臺上。文章詳述了系統(tǒng)的優(yōu)缺點，討論一些性能擴(kuò)展的方法。該內(nèi)核適用于中小規(guī)模的嵌入式軟件。

本文介紹的是利用標(biāo)準(zhǔn)C語言setjmp庫函數(shù)實現(xiàn)的具備此特點的協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)。從本質(zhì)上講，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)應(yīng)該具備按照優(yōu)先級搶占調(diào)度的內(nèi)核。然而，在實際應(yīng)用中，搶中式的多任務(wù)某種程序上帶來了用戶程序設(shè)計時數(shù)據(jù)保護(hù)的困難，并且，具備搶占功能的多任務(wù)內(nèi)核設(shè)計時困難也比較多，這會增加操作系統(tǒng)自身的代碼，也使它在小資源單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較少；而協(xié)作多任務(wù)系統(tǒng)的調(diào)度只在用戶指定的時機(jī)發(fā)生，這會大大簡化內(nèi)核和用戶系統(tǒng)的設(shè)計，尤其本文實現(xiàn)的系統(tǒng)通過條件查詢來放棄CPU，既符合傳統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計的思維，又帶來了多任務(wù)、模塊化、可重入的編程便利。

Setjmp是標(biāo)準(zhǔn)C語言庫函數(shù)的組成部分，它可以實現(xiàn)程序執(zhí)行中的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)操作。具體來說，它可以在一個函數(shù)中使用setjmp來初始化一個全局標(biāo)號，然后只要該函數(shù)未曾返回，那么在其它任何地方都可以通過longjmp調(diào)用來跳轉(zhuǎn)到setjmp的下一條語句執(zhí)行。實際上，setjmp函數(shù)將發(fā)生調(diào)用處的局部環(huán)境保存在一個jmp_buf的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，只要主調(diào)函數(shù)中對應(yīng)的內(nèi)存未曾釋放（函數(shù)返回時局部內(nèi)存就失效了），那么在調(diào)用longjmp的時候就可以根據(jù)已保存的jmp_buf參數(shù)恢復(fù)到setjmp的地方執(zhí)行。我們的系統(tǒng)中就是分析了setjmp標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的特點，以簡單的方式實現(xiàn)了協(xié)作式多任務(wù)。

1 演示程序

為了便于理解，首先給出多任務(wù)演示程序的源代碼。這個程序演示了協(xié)作式多任務(wù)切換、任務(wù)的動態(tài)生成、多任務(wù)共用代碼等功能，一共使用了init_coos初始化根任務(wù)（也就是C語言main函數(shù)）、creat_task創(chuàng)建新任務(wù)和WAITFOR查詢條件這3個基本的系統(tǒng)調(diào)用。由于面向嵌入式系統(tǒng)，因而程序不會中止并且運行中也沒有進(jìn)行任何輸出，需要借助適合的調(diào)試工具來理解多任務(wù)系統(tǒng)的運行。

while（1）{

WAITFOR（cnt= =8）;

while（i++argc）;

test=0x55;

/*使用函數(shù)調(diào)用在子程序中測試WAITFOR*/

subfunc（）；

while（i++15）;

cnt=0;

}

}

void subfunc（void）{

int i;

WAITFOR（cnt

/*選擇X86_VC6，X86_BC5，AVR_GCC或M68H_SDS.*/

#define X86_VC6

#define MAX_TSK 10

typedef struct {

void （*entry）（int argc，void *argv）;

jmp_buf env;

int argc;

void *argv;

}TVB;

extern TCB tcb［MAX_TSK］;

extern int task_num，tskid;

void init_coos（int mainstk）;

int creat_tsk（void（*entry）（int argc，void *argv），int argc，void *argv，int stksize）;

#define WAITFOR（condition）do{

setjmp（tcb［tskid］.env）;

if（?。╟ondition））{

tskid++;

if（tskid》=task_num）tskid=0;

longijmp（tcb［tskid］.env，1）;

}

}while（0）

（2）co-os.c文件清單

#include “co-os.h”

#if defined（X86_VC6）||defined（X86_BC5）

#define SAVE_SP（p） _asm mov p，esp

#define RESTORE_SP（p） _asm mov esp，p

#elif defined（AVR_GCC）

#include

#define SAVE_SP（p） p=（int*）SP

#define RESTORE_SP（p） SP=（int）p

#elif defined（M68K_SDS）

#define SAVE_SP（p） asm（“MOVE.L A7，{”#p“}”）

#define RESTORE_SP（p） asm（“MOVE.L {”#p“}，A7”）

#endif

TCB tcb［MAX_TSK］;

Int task_num=1;

Int tskid;

Static int stktop，oldsp;

Void init_coos（int mainstk）{

SAVE_SP（stktop）;

stktop=stktop+sizeof（void（*）（void））/sizeof（int）

-（mainstk+sizeof（int）-1）/sizeof（int）;

}

int creat_tsk（void（*entry）（int argc，void *argv），

int argc，void *argv，int stksize）{

if（task_num》=MAX_TSK）terurn-1;

SAVE_SP（oldsp）;

RESTORE_SP（stktop）;

If（！setjmp（tcb［task_num］.env））{

RESTORE_SP（oldsp）;

tcb［task_num］.entry=entry;

tcb［task_num］.argc=argc;

tcb［task_num］.argv=argv;

task_num++;

stktop-=（stksize+sizeof（int）-1）/sizeof（int）;

}

else tcb［tskid］.entry（tcb［tskid］.argc，tcb［tskid］.argv）;

return 0;

}

3 代碼說明

任務(wù)代碼通過執(zhí)行setjmp設(shè)置本任務(wù)下次查詢時的返回點，然后在等待條件放棄掉CPU跳轉(zhuǎn)到下一任務(wù)的返回點處執(zhí)行。如此周而復(fù)始，讓各任務(wù)都獲得輪轉(zhuǎn)運行的機(jī)會，也要求各任務(wù)都需要主動通過等待條件的方式放棄掉CPU。系統(tǒng)中除了中斷服務(wù)程序之外，所有任務(wù)都是平等的，都應(yīng)該遵循同樣的規(guī)則和其它任務(wù)一起協(xié)作運行?；鞠到y(tǒng)中沒有設(shè)計殺死任務(wù)的調(diào)用，這要求各任務(wù)都應(yīng)當(dāng)設(shè)計成某種形式的無限循環(huán)。

任務(wù)中等待的條件可以是任務(wù)復(fù)雜的表達(dá)式或都函數(shù)調(diào)用，也可以是中斷服務(wù)程序設(shè)置的全局變量（注意加volatile定義）。一般在任務(wù)執(zhí)行時會讓下次等待的條件不再滿足，避免某個任務(wù)一直霸占CPU將系統(tǒng)餓死。在嵌入式軟件中還經(jīng)常會遇到任務(wù)定時啟動和超時等待在I/O操作上，在我們的系統(tǒng)中可以維護(hù)一個時間計數(shù)器，只需在適當(dāng)?shù)牡胤接涗洉r刻，然后在任務(wù)查詢條件中判斷當(dāng)前計數(shù)器和記錄時刻之間的差值就可以了。

內(nèi)核實現(xiàn)的代碼則相當(dāng)簡法。由于主要的保護(hù)和恢復(fù)任務(wù)現(xiàn)場的工作都由C語言標(biāo)準(zhǔn)庫setjmp實現(xiàn)了，我們就只需要操縱一下堆棧指針防止不同的任務(wù)使用了重疊的局部環(huán)境，這個工作在初始化和創(chuàng)建任務(wù)的時候通過預(yù)定義的兩個宏來實現(xiàn)。在init_coos函數(shù)中，記錄了主任務(wù)（main函數(shù)）保留mainstk字節(jié)堆棧后的新棧頂位置（stktop），然后在每次creat_task時都根據(jù)要求為每個任務(wù)保留stksize字節(jié)的堆棧并重新計算下一個stktop。在creat_task函數(shù)中利用了setjmp函數(shù)的返回值（直接返回時為0，longjmp跳轉(zhuǎn)返回時非0），使得一方面creat_task能正常回到調(diào)用者，又讓下次輪轉(zhuǎn)到新任務(wù)時能夠找到創(chuàng)建時的入口。

co-os.h中定義的WAITFOR使用了一個do{…while（0）實現(xiàn)多語句宏的C語言小技巧，這樣能保證在任何情況下WAITFOR都可以如單條語句一樣在源程序中使用，需要擔(dān)心多了或者少了大括弧破壞if/else匹配之類的問題，并且，所有的編譯器都會優(yōu)化掉這個假循環(huán)。

為了盡量使程序簡單并說明問題，以上代碼中沒有考慮中斷相關(guān)的數(shù)據(jù)保護(hù)問題。實際運行的系統(tǒng)中，如果首先寫堆棧指針不能一步完成（如AVR這樣的8位機(jī)），那么，在寫操作正在進(jìn)行的時候絕對不能允許中斷；另外，在任務(wù)中查詢的條件如果和中斷有關(guān)，那么也必須考慮數(shù)據(jù)的完整性。

4 性能分析

所有的協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)中任務(wù)切換時間都和用戶代碼（是否長期占用CPU）、就緒時刻有關(guān)，比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)略差的是，我們的簡單系統(tǒng)中不支持任務(wù)優(yōu)先級，并且完成一輪查詢調(diào)度的時間還和任務(wù)數(shù)目有關(guān)。這也是為了達(dá)到簡單和可移植性目標(biāo)而不得已作出的犧牲。在各任務(wù)間切換查詢條件通過C語言標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)longjmp實現(xiàn)，一般來講longjmp函數(shù)要從內(nèi)存中恢復(fù)大部分CPU寄存器，執(zhí)行它也需要若干條指令的時間。

為了面向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，任務(wù)控制塊（TCB）采用靜態(tài)數(shù)組來實現(xiàn)，這樣要求預(yù)先確定系統(tǒng)的最大任務(wù)數(shù)（co-os.h中的MAX_TSK）。如果需要，也可以通過環(huán)波鏈表來動態(tài)管理任務(wù)控制塊（TCB），這時可以簡單實現(xiàn)任務(wù)的動態(tài)創(chuàng)建和刪除，并且通過指針來訪問TCB也要比通過下標(biāo)（tskid）略快一點。

在某些情況下，如果在中斷返回后需要執(zhí)行某關(guān)鍵任務(wù)，可以考慮通過設(shè)置“高級中斷”的方法來實現(xiàn)。具體地講，就是在中斷返回前改變返回地址到某函數(shù)入口（“高級中斷服務(wù)程序”），同時保留原返回地址到堆棧中，這樣在“高級中斷服務(wù)程序”完成后執(zhí)行return就又回到了正常的多任務(wù)查詢流程。使用“高級中斷”時要注意現(xiàn)場保護(hù)的銜接，并且這種技巧顯然和CPU和體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。

5 結(jié)論

setjmp是標(biāo)準(zhǔn)C語言中用于遠(yuǎn)程跳轉(zhuǎn)的庫函數(shù)，利用它可方便實現(xiàn)一個簡單易移植的協(xié)作式多任務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完備、編程簡單、易于學(xué)習(xí)，適合一些中小規(guī)模的嵌入式軟件使用；并且，以此為基礎(chǔ)，還可以用一些與平臺相關(guān)的編程技巧提高其實時性和靈活性。

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