从编写操作系统的角度看上下文切换

0 上下文切换

上下文切换（Context Switching）指的是切换处理器执行的任务时发生的一系列动作。

感性地说，从一个任务切换到另一个任务，过一段时间后又想切换回来，必然是需要保存一些东西的，这些东西就是某个任务的上下文。

因此，被要实现多任务的操作系统，或者简单的任务调度器，就肯定绕不过上下文切换。

而要知道上下文切换到底需要做什么，可以想看看描述一个任务及其状态到底需要哪些参数。

1 任务创建

先看看任务创建需要的所有信息——地址寄存器、一些特殊寄存器和返回地址。而所谓的上下文（context，避免读着别扭后面一直用context代上下文），也在介绍中断时作了定义啦。

对操作系统而言，创建任务等同于初始化用户提供的栈和入口地址（entry point）的上下文（context）。通常创建任务的函数都是没有返回值的。创建任务需要的参数包括入口地址、栈地址、栈大小和传给栈的参数。原型类似于下面这样。

void add_task(taskFunc *entry, void *stack, unsigned int stack_size, void *arg);
1

这个函数拿到这些参数信息之后，需要做两件事情——初始化任务堆栈、向操作系统或者运行时(runtime)注册任务，也就是告知系统该任务的信息。

2 注册任务

一般说来，操作系统或者系统内核会用一个叫任务控制块（Task Control Block，TCB）的数据结构来保存任务的信息。

对于简单的运行时系统而言，不需要保存详细的任务信息，只需要保存各任务堆栈的入口地址task_stacks[i]、已经注册的任务数量allocated_tasks，以及当前任务的标号current_task（也可以是别的，主要是用来标记处理器现在在执行的的哪一个任务,即task_stacks[current_task]。所以维护下面这几个全局变量就绰绰有余了。

unsigned int *task_stacks[MAXTASKS];
unsigned int allocated_tasks = 0;
int current_task = -1;
1
2
3

3 初始化任务栈

任务栈的初始化也是分两步走——第一步是计算任务栈栈顶（the top of the stack）地址，第二步是填充任务栈。

略有奇怪哈，要得到任务栈栈顶地址的话，直接用任务栈地址+栈长度不就好啦，怎么感觉还需要别的操作，单独成一步？答案是栈顶地址有字节对齐需求。

任务创建函数往往不会对堆栈地址和长度设置约束，但处理器可能需要堆栈的地址是 16、32 或者 64 的倍数，这就需要咱在计算栈顶地址时做一点处理。

sp = (unsigned int *)((int)(stack + stack_size) & 0xfffffff0);
1

像这样，把地址末尾不足 f 的值抹去，也就是对求和结果做一下向下取整，这样就能保证栈顶地址(sp)是16的倍数。

这里又联想到内存管理。内存管理算法也会刻意对申请地空间大小做这样的向下取整操作，以减少内存中的小碎片。这样横向比较一下，也就能理解malloc函数返回实际分配的空间大小的意义了

参考

• Xtensa, programmers_guide.pdf, chapter 8 Context Switching