干货 || 嵌入式实时系统中局部变量和全局变量

转载自公众号「有思考的人」，作者：ksj

一、首先简要介绍局部变量和全局变量区别

（1）作用域

全局变量具有全局作用域，适用于所有源文件。但在不包含全局变量定义的文件中，需使用extern关键字声明这个全局变量后，方可正常使用。

静态全局变量也具有全局作用域。它与全局变量的区别是，它仅仅作用于定义它的文件，程序中其他文件不可用。

局部变量只有局部作用域。只在函数执行期间存在，当函数调用结束后，变量将被撤销，其所占用内存被收回。

静态局部变量只有局部作用域。它从初始化到函数运行结束一直存在，在整个程序运行期间一直有效。它与全局变量的区别在于，全局变量对所有函数可见，而静态局部变量只对自己的函数始终可见。

（2）存储空间

全局变量、静态全局变量、静态局部变量都在静态存储区分配空间，而局部变量在栈分配空间。

二、Cortex-M3内核中MSP/PSP

1、在CM3处理器中有两个堆栈指针MSP/PSP，这两个都是R13/SP，R13是Banked。

MSP：它有OS内核、异常服务历程以及所有需要特权访问的应用程序代码访问。程序复位默认使用MSP。

PSP：用于常规的应用程序代码。

通过CM3的CONTROL寄存器可选择当前使用哪个堆栈指针。

2、

                                                    图1

上图1所示为未使用OS时，堆栈的使用情况。

                                                    图2

上图2所示为使用OS时，堆栈的使用情况。

3、使用OS时，MSP及PSP跳转状态及任务堆栈切换时变化

1）任务切换前的状态

假设系统中有两个任务，Task1和Task2，Task1是当前正在运行的任务（由OSTCBCur指出），Task2处于挂起状态。

那么进入OS_CPU_PendSVHandler中断前，堆栈状态如下图所示。

CPU处于线程状态，使用PSP堆栈工作，PSP指向Task1的堆栈。

CPU中的各寄存器是Task1当前任务的寄存器值。

Task2处于挂起状态，Task2的堆栈指针由TCB2的SP变量保存着。在Task2的堆栈底部，保存有两部分数据，一部分是CPU中断时自动保存到堆栈的寄存器变量（包括xPSR,PC,LR,R12,R0~R3），另一部分是uCOS额外保存的寄存器变量(R4~R11)，这些寄存器保存了Task2挂起前的所有数据。

2）任务切换后进入中断例程时的状态

当条件变化导致Task1需要切换到Task2时（OSTCBHighRdy会指向Task2的TCB2），PendSV中断被激发。

进入OS_CPU_PendSVHandler中断时，根据Cortex-M3的中断流程，一部分动作由CPU自动执行：

CPU将xPSR,PC,LR,R12,R0~R3自动保存到当前堆栈，由于PSP是指向Task1的堆栈的，所以这些寄存器会自动保存到Task1的堆栈中。

CPU切换到Handler模式，使用MSP作为中断例程的工作堆栈。

PC指向中断例程，执行中断例程。

进入OS_CPU_PendSVHandler中断时，堆栈状态如下图所示：

3）uCOS保存当前任务现场后的状态

进入OS_CPU_PendSVHandler后，由于CPU只自动保存了部分寄存器值，uCOS需要将其余寄存器也保存下来，以便切回任务时能完整恢复现场。

OS_CPU_PendSVHandler会根据PSP的值得到Task1的堆栈底部，然后将额外的寄存器R4~R11保存到Task1的堆栈底部。

并且将更新后的Task1的堆栈值保存到TCB1的SP变量中。

OS_CPU_PendSVHandler保存完当前任务数据后的堆栈状态如下图所示：

4）uCOS恢复目标任务数据后的状态

之后OS_CPU_PendSVHandler需要恢复Task2任务的现场数据。

OS_CPU_PendSVHandler从OSTCBHighRdy获取需要切换到的任务块（此时其等于TCB2），然后从TCB2的SP变量获取该任务的堆栈指针。

得到Task2的堆栈指针后，OS_CPU_PendSVHandler从其堆栈底部恢复R4~R11寄存器的值（这部分是先前由uCOS保存的），然后调整CPU的PSP指针指向Task2堆栈中先前CPU自动保存数据的地方，如下图所示。

此时CPU的R4~R11寄存器已恢复为Task2挂起前的值，但R0~R3、R12、LR、PC、xPSR这些尚未恢复，后面这些寄存器将在中断返回时由CPU自动恢复。

最后OS_CPU_PendSVHandler调用BX LR执行中断返回（LR中的值是EXC_RETURN值，以通知CPU做中断返回动作）。

OS_CPU_PendSVHandler在中断返回前的堆栈状态如下：

5）uCOS从中断返回，完成任务切换后的状态

OS_CPU_PendSVHandler调用BX LR后，由CPU完成剩余的现场恢复：

CPU从PSP堆栈中恢复xPSR,PC,LR,R12,R0~R3这些寄存器的值，由于PSP已指向了Task2的堆栈，所以这些寄存器的值被恢复为Task2堆栈中的值，即Task2任务挂起前的寄存器值。

CPU的PC值也从堆栈中恢复到Task2任务被中断时的PC值。

CPU退出Handler模式，切换到线程模式，重新使用PSP堆栈作为工作堆栈（此时PSP已指向Task2的堆栈)，使用Task2的堆栈作为工作堆栈。

CPU已恢复到Task2挂起前的现场，从Task2被中断的PC处继续运行。

对比任务切换前的状态，Task1与Task2的状态完全对调了，所以完成了Task1与Task2的切换。

中断返回后，完成Task2任务切换的堆栈状态如下图所示：