在支持多任務操作系統中，進程切換是不可避免的，以使進程能在單個CPU上併發執行。進程的調度涉及到的東西較多，例如調度的時機、調度的策略等等，在這裏我們只討論RTEMS任務調度中進程切換的細節，通過分析以明白操作系統如何做到使一個CPU的使用權如何從一個任務上切換到另一個任務。
下面假設兩個任務TASK1和TASK2，當前正在執行的任務executing = TASK1，需要切換到的任務 heir = TASK2，下面爲進程調度進行上下文切換的代碼（最精簡的一個函數，除去多核的配置、其他一些擴展函數、可配置的浮點上下文保存恢復等代碼）：
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void _Thread_Dispatch(void )
{ Thread_Control *executing; Thread_Control *heir; ISR_Level level; /* * Now determine if we need to perform a dispatch on the current CPU. */ executing = _Thread_Executing; _ISR_Disable( level ); while ( _Thread_Dispatch_necessary ==true ) { heir = _Thread_Heir; _Thread_Dispatch_necessary = false; _Thread_Executing = heir; /* * When the heir and executing are the same, then we are being * requested to do the post switch dispatching. This is normally * done to dispatch signals. */ if ( heir == executing ) goto post_switch; /* * Since heir and executing are not the same, we need to do a real * context switch. */ _ISR_Enable( level ); _Context_Switch( &executing->Registers, &heir->Registers ); executing = _Thread_Executing; _ISR_Disable( level ); } post_switch: _ISR_Enable( level ); } |
此函數執行之前，有兩個全局變量_Thread_Executing 和 _Heir_Executing 分別指向 Task1 和 Task2 的進程控制塊TCB，下面對此函數進行分析：
首先：切換之後全局變量 _Thread_Executing 應該指向 Task2（第15行）;
其次，如果切換之前和切換之後是同一個任務，就無需進行上下文切換（第22行）；
若不同，則必須進行上下文切換，使CPU的控制權轉到Task2上。所謂的上下文切換，就是保存Task1進程執行的上下文（主要是一些重要的寄存器），並且恢復Task2進程被切換出去之前執行的上下文。
進程控制塊TCB中有個字段Context_Control Registers 是用來保存/恢復上下文的，該結構體在i386體系下定義爲：
typedef struct
{
uint32_t eflags; /* extended flags register */
void *esp;
/* extended stack pointer register */
void *ebp;
/* extended base pointer register */
uint32_t ebx; /* extended bx register */
uint32_t esi; /* extended source index register */
uint32_t edi; /* extended destination index flags register */
} Context_Control;
也即意味着兩個進程進行切換時，需要保存的寄存器有EFLAGS、ESP、EBP、EBX、ESI、EDI等，第32行_Context_Switch 函數完成：切換之前將這些寄存器的值保存在需要切換的進程（此處爲Task1）TCB的Registers中，切換時這些寄存器的值從即將切換的進程（此處爲Task2）TCB的Registers中恢復。這是一個與體系結構相關的操作，需要使用匯編去完成，我們看看_Context_Switch( &executing->Registers,
&heir->Registers ) 的彙編實現：
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/*
* Format of i386 Register structure */ .set REG_EFLAGS, 0 .set REG_ESP, REG_EFLAGS + 4 .set REG_EBP, REG_ESP + 4 .set REG_EBX, REG_EBP + 4 .set REG_ESI, REG_EBX + 4 .set REG_EDI, REG_ESI + 4 .set SIZE_REGS, REG_EDI + 4 BEGIN_CODE /* * void _CPU_Context_switch( run_context, heir_context ) * * This routine performs a normal non-FP context. */ .p2align 1 PUBLIC (_CPU_Context_switch) .set RUNCONTEXT_ARG, 4 /* save context argument */ .set HEIRCONTEXT_ARG, 8 /* restore context argument */ SYM (_CPU_Context_switch): movl RUNCONTEXT_ARG(esp),eax /*eax = running threads context */ pushf /*push eflags */ popl REG_EFLAGS(eax) /* save eflags */ movl esp,REG_ESP(eax) /* save stack pointer */ movl ebp,REG_EBP(eax) /* save base pointer */ movl ebx,REG_EBX(eax) /* saveebx */ movl esi,REG_ESI(eax) /* save source register */ movl edi,REG_EDI(eax) /* save destination register */ movl HEIRCONTEXT_ARG(esp),eax /*eax = heir threads context */ restore: pushl REG_EFLAGS(eax) /*push eflags */ popf /* restore eflags */ movl REG_ESP(eax),esp /* restore stack pointer */ movl REG_EBP(eax),ebp /* restore base pointer */ movl REG_EBX(eax),ebx /* restoreebx */ movl REG_ESI(eax),esi /* restore source register */ movl REG_EDI(eax),edi /* restore destination register */ ret |
在進入此彙編代碼之前，Task1 棧爲：
解釋一下，C語言通過堆棧傳參慣例，參數從右到左依次壓棧，然後將下一條程序指針壓棧，因此在進入_CPU_Context_Switch函數之後Task1棧如上圖所示。函數體完成的功能：
第一步：將Task1上下文保存在Task1->Registers結構體中（第28~35行）。
28： 將Task1->Register的指針（esp+4）保存在eax寄存器中；
29：將eflags寄存器壓棧（pushl）；
30：再出棧，存放在(&Task1->Register)->eflags中；
31~35：分別將esp、ebp、ebx、esi、edi寄存器的值保存在Task1->Register結構的相關字段中。
到此爲止，完成了保存Task1進程的上下文，Task1切換出去之前棧還是如上圖所示。
同理可以想象Task2被其他進程切換走之後一定也具有類似的棧結構，Task2->Registers中保存的是切換出去之前的它的上下文。
第二步：從Task2->Register結構中恢復Task2的上下文（第37~46行）。
37：將Task2->Registers的指針（esp+8）保存在eax寄存器中；
40：將Task2->Registers.eflags（即Task2切換出去之前保存的eflags寄存器）壓棧；
41：出棧popf，此時eflags寄存器恢復爲Task2上下文的eflags；
42：恢復esp，此步最爲關鍵，因爲此步之後esp寄存器將由Task1棧頂轉移到Task2棧頂，此後操作將在Task2的棧上進行；
43~46：依次恢復esp、ebp、ebx、esi、edi寄存器。
至此，完成了恢復Task2進程的上下文。
第三步：從_CPU_Context_Switch 函數返回。
47：ret操作，彈出棧頂到eip中，注意esp此時已經指向的是Task2的棧，但是上面我們說過Task2棧與Task1棧切換之前的結構是類似的，因此Task2棧頂保存的仍然是_Context_Switch 下一條語句的代碼。
從彙編函數中返回之後，又回到_Thread_Dispatch 函數體中，只不過與之前不同的是，此時處理器運行在Task2的上下文環境中。
還有一個問題需要我們去探索：如果Task2是第一次被調度執行，即Task2之前沒有被切換出去，不曾執行到_Thread_Dispatch 中的 _Context_Switch 切換出去，也就是Task2棧並不是我們上面討論的那樣，同樣我們也不希望Task2第一次被調度執行的第一條代碼不是_Context_Switch 的下一條語句，因爲Task2棧上並不存在_Thread_Dispatch函數的棧幀，如果這樣，肯定會出現不可預期的錯誤。
所以，我們在創建任務時，就需要先初始化好Task2的棧，使得其第一次調度時，執行的是我們需要它需要執行的代碼。
在rtems_task_start –> _Thread_Start –> _Thread_Load_environment –> _Context_initialize函數
宏 會在任務加入就緒隊列的時候進行上下文初始化。函數調用如下：
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_Context_Initialize(
&the_thread->Registers, //任務上下文結構指針 the_thread->Start.Initial_stack.area, //指向新建的一個任務棧區域的基址 the_thread->Start.Initial_stack.size, //任務棧的大小 the_thread->Start.isr_level, //中斷級別 _Thread_Handler, //任務執行時第一次要執行的代碼 is_fp ); #define _Context_Initialize(_the_context, _stack, _size, _isr, _entry, _is_fp) \
_CPU_Context_Initialize( _the_context, _stack, _size, _isr, _entry, _is_fp ) |
我們看看這個函數 宏 實現的 彙編 代碼：
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#define _CPU_Context_Initialize( _the_context, _stack_base, _size, \
_isr, _entry_point, _is_fp ) \ do { \ uint32_t _stack; \ \ if ( (_isr) ) (_the_context)->eflags = CPU_EFLAGS_INTERRUPTS_OFF; \ else (_the_context)->eflags = CPU_EFLAGS_INTERRUPTS_ON; \ \ _stack = ((uint32_t)(_stack_base)) + (_size); \ _stack &= ~ (CPU_STACK_ALIGNMENT - 1); \ _stack -= 2*sizeof(proc_ptr*); \ *((proc_ptr *)(_stack)) = (_entry_point); \ (_the_context)->ebp = (void *)0; \ (_the_context)->esp = (void *) _stack; \ } while (0) |
第6&7行通過參數isr來決定應初始化elfags寄存器的值；
第9&10行根據棧基址以及棧的大小計算出初始時棧頂的位置（需要對齊）；
第11行將棧頂的位置往下移兩個指針大小；
第12行將程序入口指針_entry_point寫入棧頂；
第13&14行分別初始化ebp、esp寄存器。
初始任務棧的示意圖如下：
至此，任務初始上下文初始化完成，主要初始化了eflags、esp、ebp等寄存器，保存在TCB的registers結構體中。
當一個從未執行的任務第一次被調度執行時，回到上下文切換函數_Context_Switch中，保存和恢復和上面一樣，只不過在第三步ret操作時，會返回棧頂位置的值當作程序指針，和上面區別的是：這種情形eip不是跳到_Context_Switch的下一句，而是我們初始化保存在棧頂的值_entry_point。返回之後，就會執行所_entry_point指向的函數_Thread_Handle，在這個函數會執行到我們創建的任務體中。
結束語：上面討論的是基於i386體系下RTEMS任務切換上下文的過程，雖然是基於特定的體系結構特定的操作系統，但對於任一個多任務的操作系統任務切換都大相徑庭，無非就是保存上下文、恢復上下文，而若移植操作系統，這是需要針對特定平臺進行改寫的一段代碼。
