LiteOS 内核源码分析:任务栈信息

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​​摘要: LiteOS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。

本文分享自华为云社区《LiteOS内核源码分析系列六 -任务及调度(1)-任务栈信息》,原文作者:zhushy 。

我们介绍下LiteOS任务栈的基础概念。LiteOS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_STACK_INIT代表的数值0xCACACACA,栈顶初始化为宏OS_STACK_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。

1.1 LOS_StackInfo任务栈结构体定义

typedef struct {    VOID *stackTop;     // 栈顶指针    UINT32 stackSize;   // 栈大小    CHAR *stackName;    // 栈名称} StackInfo;

另外定义了一个宏函数OS_STACK_MAGIC_CHECK(topstack)用于检测栈是否有效,当栈顶等于OS_STACK_MAGIC_WORD栈是正常的,没有溢出,否则栈顶被改写,发生栈溢出。

/* 1:有效正常的栈 0:无效,发生溢出的栈 */#define OS_STACK_MAGIC_CHECK(topstack) (*(UINTPTR *)(topstack) == OS_STACK_MAGIC_WORD)

1.2 LOS_StackInfo任务栈支持的操作

1.2.1 任务栈初始化

栈初始化函数VOID OsStackInit()使用2个参数,一个是栈顶指针VOID *stacktop,一个是初始化的栈的大小。把栈内容初始化为OS_STACK_INIT,把栈顶初始化为OS_STACK_MAGIC_WORD

该函数被arch\arm\cortex_m\src\task.c*OsTaskStackInit(UINT32 taskId, UINT32 stackSize, VOID *topStack)方法调用,进一步被创建任务时的OsTaskCreateOnly()方法调用,完成新创建任务的任务栈初始化。

VOID OsStackInit(VOID *stacktop, UINT32 stacksize){     (VOID)memset_s(stacktop, stacksize, (INT32)OS_STACK_INIT, stacksize);    *((UINTPTR *)stacktop) = OS_STACK_MAGIC_WORD;}

1.2.2 获取任务栈水线

随着任务栈入栈、出栈,当前栈使用的大小不一定是最大值,OsStackWaterLineGet()可以获取的栈使用的最大值即水线WaterLine

该函数需要3个参数,UINTPTR *stackBottom是栈底指针,const UINTPTR *stackTop栈顶指针,UINT32 *peakUsed用于返回获取的水线值,即任务栈使用的最大值。

⑴处代码表示如果*stackTop == OS_STACK_MAGIC_WORD,说明栈没有被溢出破坏,从栈顶开始栈内容被写满宏OS_STACK_INIT的部分是没有使用过的栈空间。使用tmp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tmp指向最大的未使用过的栈地址。⑵处代码使用栈底指针stackBottom减去tmp,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_INVALID_WATERLINE

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;    }}

1.3 LOS_Task任务栈初始化

我们以AArch32 Cortex-M核为例,剖析下任务栈初始化的过程,相关代码分布在arch\arm\cortex_m\include\arch\task.harch\arm\cortex_m\src\task.c。首先看下任务上下文。

1.3.1 TaskContext上下文结构体定义

任务上下文(Task Context)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。LiteOS内核中,上下文的结构体定义如下:

typedef struct tagContext {#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 R4;    UINT32 R5;    UINT32 R6;    UINT32 R7;    UINT32 R8;    UINT32 R9;    UINT32 R10;    UINT32 R11;    UINT32 PriMask;    UINT32 R0;    UINT32 R1;    UINT32 R2;    UINT32 R3;    UINT32 R12;    UINT32 LR;    UINT32 PC;    UINT32 xPSR;#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;

1.3.2 LOS_Task任务栈初始化

上文中提到在创建任务的时候,会使用VOID *OsTaskStackInit()函数初始化任务栈。我们分析下函数代码,它需要3个参数,UINT32 taskId待创建任务的编号,UINT32 stackSize任务栈的大小,VOID *topStack任务栈的栈顶指针。

⑴处代码调用OsStackInit()函数初始化栈,初始化栈内容和栈顶为魔术字。⑵处代码获取任务上下文的指针地址TaskContext *taskContext,栈的底部大小为sizeof(TaskContext)的栈空间存放上下文的数据。⑶处如果支持浮点数计算,需要初始化浮点数相关的寄存器。⑷初始化通用寄存器,其中LR初始化为(UINT32)OsTaskExitPC初始化为(UINT32)OsTaskEntryCPU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。⑸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 *taskContext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0x02020202LR12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 *OsTaskStackInit(UINT32 taskId, UINT32 stackSize, VOID *topStack){    TaskContext *taskContext = NULL;⑴  OsStackInit(topStack, stackSize);⑵  taskContext = (TaskContext *)(((UINTPTR)topStack + stackSize) - sizeof(TaskContext));#if ((defined (__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \⑶  (defined (__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))    taskContext->S16 = 0xAA000010;    taskContext->S17 = 0xAA000011;    taskContext->S18 = 0xAA000012;    taskContext->S19 = 0xAA000013;    taskContext->S20 = 0xAA000014;    taskContext->S21 = 0xAA000015;    taskContext->S22 = 0xAA000016;    taskContext->S23 = 0xAA000017;    taskContext->S24 = 0xAA000018;    taskContext->S25 = 0xAA000019;    taskContext->S26 = 0xAA00001A;    taskContext->S27 = 0xAA00001B;    taskContext->S28 = 0xAA00001C;    taskContext->S29 = 0xAA00001D;    taskContext->S30 = 0xAA00001E;    taskContext->S31 = 0xAA00001F;    taskContext->S0  = 0xAA000000;    taskContext->S1  = 0xAA000001;    taskContext->S2  = 0xAA000002;    taskContext->S3  = 0xAA000003;    taskContext->S4  = 0xAA000004;    taskContext->S5  = 0xAA000005;    taskContext->S6  = 0xAA000006;    taskContext->S7  = 0xAA000007;    taskContext->S8  = 0xAA000008;    taskContext->S9  = 0xAA000009;    taskContext->S10 = 0xAA00000A;    taskContext->S11 = 0xAA00000B;    taskContext->S12 = 0xAA00000C;    taskContext->S13 = 0xAA00000D;    taskContext->S14 = 0xAA00000E;    taskContext->S15 = 0xAA00000F;    taskContext->FPSCR = 0x00000000;    taskContext->NO_NAME = 0xAA000011;#endif⑷  taskContext->R4  = 0x04040404L;    taskContext->R5  = 0x05050505L;    taskContext->R6  = 0x06060606L;    taskContext->R7  = 0x07070707L;    taskContext->R8  = 0x08080808L;    taskContext->R9  = 0x09090909L;    taskContext->R10 = 0x10101010L;    taskContext->R11 = 0x11111111L;    taskContext->PriMask = 0;    taskContext->R0  = taskId;    taskContext->R1  = 0x01010101L;    taskContext->R2  = 0x02020202L;    taskContext->R3  = 0x03030303L;    taskContext->R12 = 0x12121212L;    taskContext->LR  = (UINT32)OsTaskExit;    taskContext->PC  = (UINT32)OsTaskEntry;    taskContext->xPSR = 0x01000000L;⑸  return (VOID *)taskContext;}

1.3.3 OsTaskExit()函数

在初始化上下文的时候,链接寄存器设置的是函数VOID OsTaskExit(VOID),该函数定义在文件arch\arm\cortex_m\src\task.c。函数代码里调用__disable_irq()关中断,然后进入死循环。该函数理论上不会被执行,忽略即可。

LITE_OS_SEC_TEXT_MINOR VOID OsTaskExit(VOID){    __disable_irq();    while (1) { }}

1.3.4 LOS_Task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处释放任务的自旋锁,开中断。然后执行⑵处代码获取taskCB,并调用任务的入口函数。等任务执行完毕后,检查taskCB->taskFlags是否设置为自删除标记OS_TASK_FLAG_DETACHED,如果是则删除任务。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT VOID OsTaskEntry(UINT32 taskId){    LosTaskCB *taskCB = NULL;    VOID *ret = NULL;    LOS_ASSERT(OS_TSK_GET_INDEX(taskId) < g_taskMaxNum);⑴  LOS_SpinUnlock(&g_taskSpin);    (VOID)LOS_IntUnLock();⑵  taskCB = OS_TCB_FROM_TID(taskId);#ifdef LOSCFG_OBSOLETE_API    ret = taskCB->taskEntry(taskCB->args[0], taskCB->args[1], taskCB->args[2],        taskCB->args[3]); /* 0~3: just for args array index */#else    ret = taskCB->taskEntry(taskCB->args);#endif⑶  if (OsTaskDeleteCheckDetached(taskCB)) {        OsTaskDeleteDetached(taskCB);    } else {        OsTaskDeleteJoined(taskCB, ret);    }}

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