鸿蒙轻内核M核源码分析系列七 任务及任务调度（1）任务栈

继续分析鸿蒙轻内核源码，我们本文开始要分析下任务及任务调度模块。首先，我们介绍下任务栈的基础概念。任务栈是高地址向低地址生长的递减栈，栈指针指向即将入栈的元素位置。初始化后未使用过的栈空间初始化的内容为宏OS_TASK_STACK_INIT代表的数值0xCACACACA，栈顶初始化为宏OS_TASK_MAGIC_WORD代表的数值0xCCCCCCCC。一个任务栈的示意图如下，其中，栈底指针是栈的最大的内存地址，栈顶指针，是栈的最小的内存地址，栈指针从栈底向栈顶方向生长。

任务上下文（Task Context）是任务及任务调度模块的另外一个重要的概念，它指的是任务运行的环境，例如包括程序计数器、堆栈指针、通用寄存器等内容。在多任务调度中，任务上下文切换（Task Context Switching）属于核心内容，是多个任务运行在同一CPU核上的基础。在任务调度时，保存退出运行状态的任务使用的寄存器信息到任务栈，还会从进入运行状态的任务的栈中读取上下文信息，恢复寄存器信息。

下面，我们剖析下任务栈、任务栈初始化的源代码，若涉及开发板部分，以开发板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\为例进行源码分析。首先，看下任务上下文结构体。

1、 TaskContext上下文结构体定义

在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_arch_context.h中，定义的上下文的结构体如下，主要是浮点寄存器，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、 任务栈相关函数

2.1 任务栈初始化函数

在文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c中定义了任务栈初始化函数VOID *HalTskStackInit(t()。该函数被文件kernel\src\los_task.c中的函数UINT32 OsNewTaskInit()调用完成任务初始化，并进一步在创建任务函数UINT32 LOS_TaskCreateOnly()中调用，完成新创建任务的任务栈初始化。

该函数使用3个参数，一个是任务编号UINT32 taskID，一个是初始化的栈的大小UINT32 stackSize，第3个参数是栈顶指针VOID *topStack。⑴处代码把栈内容初始化为OS_TASK_STACK_INIT，⑵处把栈顶初始化为OS_TASK_MAGIC_WORD。

⑶处代码获取任务上下文的指针地址TaskContext *context。对于新创建任务，从栈的底部开始，大小为sizeof(TaskContext)的栈空间存放上下文的数据。⑷处如果支持浮点数计算，需要初始化浮点数相关的寄存器。⑸初始化通用寄存器，其中.uwLR初始化为(UINT32)(UINTPTR)HalSysExit。.uwPC初始化为(UINT32)(UINTPTR)OsTaskEntry，这是CPU首次执行该任务时运行的第一条指令的位置。这2个函数下文会分析。

⑹处返回值是指针(VOID *)taskContext，这个就是任务初始化后的栈指针，注意不是从栈底开始了，栈底保存的是上下文，栈指针要减去上下文占用的栈大小。在栈中，从TaskContext *context指针增加的方向，依次保存上下文结构体的第一个成员，第二个成员…另外，初始化栈的时候，除了特殊的几个寄存器，不同寄存器的初始值虽然没有什么意义，也有些初始化的规律。比如R2寄存器初始化为0x02020202L，R12寄存器初始化为0x12121212L初始化的内容和寄存器编号有关联，其余类似。

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 获取任务栈水线函数

随着任务栈入栈、出栈，当前栈使用的大小不一定是最大值，UINT32 OsGetTaskWaterLine(UINT32 taskID)可以获取的栈使用的最大值即水线WaterLine。该函数定义在文件kernel\src\los_task.c，它需要1个参数，即UINT32 taskID任务编号，返回值UINT32 peakUsed表示获取的水线值，即任务栈使用的最大值。

我们详细看下代码，⑴处代码表示如果栈顶等于设置的魔术字，说明栈没有被溢出破坏，从栈顶开始栈内容被写满宏OS_TASK_STACK_INIT的部分是没有使用过的栈空间。使用临时栈指针stackPtr指针变量依次向栈底方向增加，判断栈是否被使用过，while循环结束，栈指针stackPtr指向最大的未使用过的栈地址。⑵处代码获取最大的使用过的栈空间大小，即需要的水线。⑶处如果栈顶溢出，则返回无效值OS_NULL_INT。

该函数被kernel\base\los_task.c中的函数LOS_TaskInfoGet(UINT32 taskId, TSK_INFO_S *taskInfo)调用，获取任务的信息。在shell模块也会使用来或者栈信息。

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、 任务进入退出函数

3.1、任务退出函数

在初始化上下文的时候，链接寄存器设置的是函数(UINT32)(UINTPTR)HalSysExit，该函数定义在文件kernel\src\los_task.c。函数代码里调用LOS_IntLock()关中断，然后进入死循环。在任务正常调度期间，该函数理论上不会被执行。在系统异常时，主动调用LOS_Panic()c触发异常时，也会调用该函数。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID HalSysExit(VOID)
{
    LOS_IntLock();
    while (1) {
    }
}

3.2、任务进入函数

在初始化上下文的时候，PC寄存器设置的是函数VOID OsTaskEntry(UINT32 taskId)，该函数定义在文件kernel\base\los_task.c，我们来分析下源代码，⑴处代码获取taskCB，然后执行⑵调用任务的入口函数。等任务执行完毕后，执行⑶删除任务。通常任务入口执行函数都是while循环，任务不执行时，会调度到其他任务或者空闲任务，不会执行到删除任务阶段。

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);
    }
}

小结

本文带领大家一起学习了鸿蒙轻内核的任务栈、任务上下文的基础概念，剖析了任务栈初始化的代码。后续也会陆续推出更多的分享文章，敬请期待，也欢迎大家分享学习、使用鸿蒙轻内核的心得，有任何问题、建议，都可以留言给我们： https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m/issues 。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓，建议访问 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ，关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下，谢谢。