鴻蒙輕內核M核源碼分析系列六 任務及任務調度（1）任務棧
繼續分析鴻蒙輕內核源碼，我們本文開始要分析下任務及任務調度模塊。首先，我們介紹下任務棧的基礎概念。任務棧是高地址向低地址生長的遞減棧，棧指針指向即將入棧的元素位置。初始化后未使用過的?？臻g初始化的內容為宏OS_TASK_STACK_INIT代表的數值0xCACACACA，棧頂初始化為宏OS_TASK_MAGIC_WORD代表的數值0xCCCCCCCC。一個任務棧的示意圖如下，其中，棧底指針是棧的最大的內存地址，棧頂指針，是棧的最小的內存地址，棧指針從棧底向棧頂方向生長。
任務上下文(Task Context)是任務及任務調度模塊的另外一個重要的概念，它指的是任務運行的環境，例如包括程序計數器、堆棧指針、通用寄存器等內容。在多任務調度中，任務上下文切換(Task Context Switching)屬于核心內容，是多個任務運行在同一CPU核上的基礎。在任務調度時，保存退出運行狀態的任務使用的寄存器信息到任務棧，還會從進入運行狀態的任務的棧中讀取上下文信息，恢復寄存器信息。
下面，我們剖析下任務棧、任務棧初始化的源代碼，若涉及開發板部分，以開發板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\為例進行源碼分析。首先，看下任務上下文結構體。
1、TaskContext上下文結構體定義
在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_arch_context.h中，定義的上下文的結構體如下，主要是浮點寄存器，通用寄存器。
- typedef struct TagTskContext {
- #if ((defined(__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \
- (defined(__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))
- UINT32 S16;
- UINT32 S17;
- UINT32 S18;
- UINT32 S19;
- UINT32 S20;
- UINT32 S21;
- UINT32 S22;
- UINT32 S23;
- UINT32 S24;
- UINT32 S25;
- UINT32 S26;
- UINT32 S27;
- UINT32 S28;
- UINT32 S29;
- UINT32 S30;
- UINT32 S31;
- #endif
- UINT32 uwR4;
- UINT32 uwR5;
- UINT32 uwR6;
- UINT32 uwR7;
- UINT32 uwR8;
- UINT32 uwR9;
- UINT32 uwR10;
- UINT32 uwR11;
- UINT32 uwPriMask;
- UINT32 uwR0;
- UINT32 uwR1;
- UINT32 uwR2;
- UINT32 uwR3;
- UINT32 uwR12;
- UINT32 uwLR;
- UINT32 uwPC;
- UINT32 uwxPSR;
- #if ((defined(__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \
- (defined(__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))
- UINT32 S0;
- UINT32 S1;
- UINT32 S2;
- UINT32 S3;
- UINT32 S4;
- UINT32 S5;
- UINT32 S6;
- UINT32 S7;
- UINT32 S8;
- UINT32 S9;
- UINT32 S10;
- UINT32 S11;
- UINT32 S12;
- UINT32 S13;
- UINT32 S14;
- UINT32 S15;
- UINT32 FPSCR;
- UINT32 NO_NAME;
- #endif
- } TaskContext;
2、任務棧相關函數
2.1 任務棧初始化函數
在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c中定義了任務棧初始化函數VOID *HalTskStackInit(t()。該函數被文件kernel\src\los_task.c中的函數UINT32 OsNewTaskInit()調用完成任務初始化，并進一步在創建任務函數UINT32 LOS_TaskCreateOnly()中調用，完成新創建任務的任務棧初始化。
該函數使用3個參數，一個是任務編號UINT32 taskID，一個是初始化的棧的大小UINT32 stackSize，第3個參數是棧頂指針VOID *topStack。⑴處代碼把棧內容初始化為OS_TASK_STACK_INIT，⑵處把棧頂初始化為OS_TASK_MAGIC_WORD。
⑶處代碼獲取任務上下文的指針地址TaskContext *context。對于新創建任務，從棧的底部開始，大小為sizeof(TaskContext)的?？臻g存放上下文的數據。⑷處如果支持浮點數計算，需要初始化浮點數相關的寄存器。⑸初始化通用寄存器，其中.uwLR初始化為(UINT32)(UINTPTR)HalSysExit。.uwPC初始化為(UINT32)(UINTPTR)OsTaskEntry，這是CPU首次執行該任務時運行的第一條指令的位置。這2個函數下文會分析。
⑹處返回值是指針(VOID *)taskContext，這個就是任務初始化后的棧指針，注意不是從棧底開始了，棧底保存的是上下文，棧指針要減去上下文占用的棧大小。在棧中，從TaskContext *context指針增加的方向，依次保存上下文結構體的第一個成員，第二個成員…另外，初始化棧的時候，除了特殊的幾個寄存器，不同寄存器的初始值雖然沒有什么意義，也有些初始化的規律。比如R2寄存器初始化為0x02020202L，R12寄存器初始化為0x12121212L初始化的內容和寄存器編號有關聯，其余類似。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID *HalTskStackInit(UINT32 taskID, UINT32 stackSize, VOID *topStack)
- {
- TaskContext *context = NULL;
- errno_t result;
- /* initialize the task stack, write magic num to stack top */
- ⑴ result = memset_s(topStack, stackSize, (INT32)(OS_TASK_STACK_INIT & 0xFF), stackSize);
- if (result != EOK) {
- printf("memset_s is failed:%s[%d]\r\n", __FUNCTION__, __LINE__);
- }
- ⑵ *((UINT32 *)(topStack)) = OS_TASK_MAGIC_WORD;
- ⑶ context = (TaskContext *)(((UINTPTR)topStack + stackSize) - sizeof(TaskContext));
- #if ((defined(__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \
- (defined(__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))
- ⑷ context->S16 = 0xAA000010;
- context->S17 = 0xAA000011;
- context->S18 = 0xAA000012;
- context->S19 = 0xAA000013;
- context->S20 = 0xAA000014;
- context->S21 = 0xAA000015;
- context->S22 = 0xAA000016;
- context->S23 = 0xAA000017;
- context->S24 = 0xAA000018;
- context->S25 = 0xAA000019;
- context->S26 = 0xAA00001A;
- context->S27 = 0xAA00001B;
- context->S28 = 0xAA00001C;
- context->S29 = 0xAA00001D;
- context->S30 = 0xAA00001E;
- context->S31 = 0xAA00001F;
- context->S0 = 0xAA000000;
- context->S1 = 0xAA000001;
- context->S2 = 0xAA000002;
- context->S3 = 0xAA000003;
- context->S4 = 0xAA000004;
- context->S5 = 0xAA000005;
- context->S6 = 0xAA000006;
- context->S7 = 0xAA000007;
- context->S8 = 0xAA000008;
- context->S9 = 0xAA000009;
- context->S10 = 0xAA00000A;
- context->S11 = 0xAA00000B;
- context->S12 = 0xAA00000C;
- context->S13 = 0xAA00000D;
- context->S14 = 0xAA00000E;
- context->S15 = 0xAA00000F;
- context->FPSCR = 0x00000000;
- context->NO_NAME = 0xAA000011;
- #endif
- ⑸ context->uwR4 = 0x04040404L;
- context->uwR5 = 0x05050505L;
- context->uwR6 = 0x06060606L;
- context->uwR7 = 0x07070707L;
- context->uwR8 = 0x08080808L;
- context->uwR9 = 0x09090909L;
- context->uwR10 = 0x10101010L;
- context->uwR11 = 0x11111111L;
- context->uwPriMask = 0;
- context->uwR0 = taskID;
- context->uwR1 = 0x01010101L;
- context->uwR2 = 0x02020202L;
- context->uwR3 = 0x03030303L;
- context->uwR12 = 0x12121212L;
- context->uwLR = (UINT32)(UINTPTR)HalSysExit;
- context->uwPC = (UINT32)(UINTPTR)OsTaskEntry;
- context->uwxPSR = 0x01000000L;
- ⑹ return (VOID *)context;
- }
2.2 獲取任務棧水線函數
隨著任務棧入棧、出棧，當前棧使用的大小不一定是最大值，UINT32 OsGetTaskWaterLine(UINT32 taskID)可以獲取的棧使用的最大值即水線WaterLine。該函數定義在文件kernel\src\los_task.c，它需要1個參數，即UINT32 taskID任務編號，返回值UINT32 peakUsed表示獲取的水線值，即任務棧使用的最大值。
我們詳細看下代碼，⑴處代碼表示如果棧頂等于設置的魔術字，說明棧沒有被溢出破壞，從棧頂開始棧內容被寫滿宏OS_TASK_STACK_INIT的部分是沒有使用過的棧空間。使用臨時棧指針stackPtr指針變量依次向棧底方向增加，判斷棧是否被使用過，while循環結束，棧指針stackPtr指向最大的未使用過的棧地址。⑵處代碼獲取最大的使用過的?？臻g大小，即需要的水線。⑶處如果棧頂溢出，則返回無效值OS_NULL_INT。
該函數被kernel\base\los_task.c中的函數LOS_TaskInfoGet(UINT32 taskId, TSK_INFO_S *taskInfo)調用，獲取任務的信息。在shell模塊也會使用來或者棧信息。
- UINT32 OsStackWaterLineGet(const UINTPTR *stackBottom, const UINTPTR *stackTop, UINT32 *peakUsed)
- {
- UINT32 size;
- const UINTPTR *tmp = NULL;
- ⑴ if (*stackTop == OS_STACK_MAGIC_WORD) {
- tmp = stackTop + 1;
- while ((tmp < stackBottom) && (*tmp == OS_STACK_INIT)) {
- tmp++;
- }
- ⑵ size = (UINT32)((UINTPTR)stackBottom - (UINTPTR)tmp);
- *peakUsed = (size == 0) ? size : (size + sizeof(CHAR *));
- return LOS_OK;
- } else {
- *peakUsed = OS_INVALID_WATERLINE;
- return LOS_NOK;
- }
- }
- UINT32 OsGetTaskWaterLine(UINT32 taskID)
- {
- UINT32 *stackPtr = NULL;
- UINT32 peakUsed;
- ⑴ if (*(UINT32 *)(UINTPTR)OS_TCB_FROM_TID(taskID)->topOfStack == OS_TASK_MAGIC_WORD) {
- stackPtr = (UINT32 *)(UINTPTR)(OS_TCB_FROM_TID(taskID)->topOfStack + OS_TASK_STACK_TOP_OFFSET);
- while ((stackPtr < (UINT32 *)(OS_TCB_FROM_TID(taskID)->stackPointer)) && (*stackPtr == OS_TASK_STACK_INIT)) {
- stackPtr += 1;
- }
- ⑵ peakUsed = OS_TCB_FROM_TID(taskID)->stackSize -
- ((UINT32)(UINTPTR)stackPtr - OS_TCB_FROM_TID(taskID)->topOfStack);
- } else {
- ⑶ PRINT_ERR("CURRENT task %s stack overflow!\n", OS_TCB_FROM_TID(taskID)->taskName);
- peakUsed = OS_NULL_INT;
- }
- return peakUsed;
- }
3、任務進入退出函數
3.1、任務退出函數
在初始化上下文的時候，鏈接寄存器設置的是函數(UINT32)(UINTPTR)HalSysExit，該函數定義在文件kernel\src\los_task.c。函數代碼里調用LOS_IntLock()關中斷，然后進入死循環。在任務正常調度期間，該函數理論上不會被執行。在系統異常時，主動調用LOS_Panic()c觸發異常時，也會調用該函數。
- LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalSysExit(VOID)
- {
- LOS_IntLock();
- while (1) {
- }
- }
3.2、任務進入函數
在初始化上下文的時候，PC寄存器設置的是函數VOID OsTaskEntry(UINT32 taskId)，該函數定義在文件kernel\base\los_task.c，我們來分析下源代碼，⑴處代碼獲取taskCB，然后執行⑵調用任務的入口函數。等任務執行完畢后，執行⑶刪除任務。通常任務入口執行函數都是while循環，任務不執行時，會調度到其他任務或者空閑任務，不會執行到刪除任務階段。
- LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID OsTaskEntry(UINT32 taskID)
- {
- UINT32 retVal;
- ⑴ LosTaskCB *taskCB = OS_TCB_FROM_TID(taskID);
- ⑵ (VOID)taskCB->taskEntry(taskCB->arg);
- ⑶ retVal = LOS_TaskDelete(taskCB->taskID);
- if (retVal != LOS_OK) {
- PRINT_ERR("Delete Task[TID: %d] Failed!\n", taskCB->taskID);
- }
- }
小結
本文帶領大家一起學習了鴻蒙輕內核的任務棧、任務上下文的基礎概念，剖析了任務棧初始化的代碼。后續也會陸續推出更多的分享文章，敬請期待。
