Cのポインタ/リンクリスト/スタックの使い方をリアルタイムカーネルのコードを例に説明

配列名はアドレスです。p もint型のポインタなので
　　p = c;
と書けます。アドレス演算子 & を使う場合は
　　p = &c[0];
と書いても結果は同じで、ポインタ p に配列 c の先頭アドレスが格納されます。
p に配列のアドレスを設定した場合は、p++ と記述すると
　　p = &c[0];
　　p++;
この時 *p は c[1] を参照することになります。

構造体のポインタ

関数ポインタ

void型の関数ポインタ p の定義は以下になります。
　　void (*p)(void);

関数名はアドレス

void型の関数
　　void func(void);
において、関数名 func はアドレスです。なので
　　p = func;
で関数ポインタ p に関数 func のアドレスを設定すると
　　(*p)();
で関数 func を実行することができます。

リアルタイムカーネルのコード

上記ポインタの基礎を前提にリアルタイムカーネルのコードを確認していきます。

タスクコントロールブロックの構造体

struct TCB {
    unsigned char status;   // タスクの状態
    void  (*task)(void);    // タスクのエントリーアドレス
    unsigned char no;       // タスク定義番号
    unsigned char level;    // タスクの優先順位 大きい方が優先順位が高い
    struct  TCB *next;      // TCB リンク
};

タスクコントロールブロックはタスクを定義しています。各構造体メンバを確認していきます。

• status はタスクの状態です。状態には、停止 (STOP)、実行 (RUN)、実行可能 (READY)、中断 (SUSPEND)の4つがあります
• task は関数ポインタで、タスクのエントリーアドレスになります
• no はタスク定義番号(ID)です
• level はタスクの優先順位です
• next は構造体TCB型のポインタです

実行中(RUN)のタスクは常に1つですが、実行中(RUN)のタスクの処理が完了した後、実行可能(READY)状態のタスクまたは、中断(SUSPEND)状態のタスクの中で最も優先順位が高いタスクに実行権を渡すことになります。そのため、中断(SUSPEND)または 実行可能(READY)の状態のタスクは優先順位の順でリンクリストの形で管理します。

タスクコントロールブロックのリンクリストを構成するためのポインタが next です。タスクコントロールブロックの構造体 TCB の宣言の中に構造体メンバとしてTCB型のポインタを宣言できてしまうのはちょっと面白いですね。

タスクコントロールブロックの構造体 TCB の配列

リアルタイムカーネルのコードでは、必要なタスクの数だけ構造体型の配列の形でタスクコントロールブロックを定義しています。

struct TCB tcb[TASK_MAX];             // タスクコントロールブロック 

このリアルタイムカーネルでは、タスク定義番号 no を配列の要素番号としています。なのでタスクに割り振る定義番号は「 0 から始まる整数」になります。

例えば定義番号 no のタスクの構造体メンバ level（優先順位）の参照は
　　tcb[no].level;

になります。

リンクリストの構成

struct SCB {
    struct TCB *run;        // RUN タスクのTCB アドレス
    struct TCB *ready;      // 最優先READY タスクの TCB アドレス 
    struct TCB *suspend;    // 最優先 SUSPEND タスクの TCB アドレス
};

中断(SUSPEND)と実行可能(READY)のリンクリストは、優先順位順に並べており、各リンクリストの先頭は、中断(SUSPEND)と実行可能(READY)状態の中で最も優先順位が高いタスクになっています。

タスクコントロールブロックはタスク定義番号を要素番号とする配列で定義しているので、定義番号 no のタスクが実行中(RUN)になった場合に scb に登録するには
　　scb.run = &tcb[no];
と記述できます。

さて、このときscbに登録された実行中(RUN)タスクの構造体メンバ level の参照は下記のいずれが正しいでしょうか？

1. 　*(scb.run).level
2. 　scb.(*run).level
3. 　(*scb.run).level

1.  *(scb.run).level は、C言語の演算子の評価順が . > * なので　*((scb.run).level)の意味になってしまうのでNG
2.   scb.(*run).level は scbの構造体メンバはポインタ run（アドレス）なので、scb.(*run) は意味不明です。

正解は 3.    (*scb.run).level   で   scb.run->level   の記述でもOKです。一般的には -> を使うことが多いようですが、リアルタイムカーネルのコードでは  (*scb.run).level を使っています。

scbで管理しているタスクの優先順位は
　　(*scb.run).level
　　(*scb.ready).level
　　(*scb.suspend).level
で参照できます。

次にリアルタイムカーネルのコードで、実行可能(READY)タスクのリンクリストの管理をしている関数 link_ready() を確認してみましょう。

リアルタイムカーネルは、イベントの要求に応じてタスクを起動する場合、実行中(RUN)タスクよりも起動要求タスクの優先順位が高ければ、起動要求タスクに実行権を渡します。同時に実行中(RUN)タスクを 中断(SUSPEND) のリンクリストに繋げます。

逆に、実行中(RUN)タスクの優先順位が起動要求タスクよりも高ければ、起動要求タスクを 実行可能(READY) のリンクリストに繋げ、実行中(RUN)タスクの終了を待ちます。

関数 link_ready() には、実行可能(READY)リンクに繋げるタスクの定義番号を引数として渡します。関数 link_ready() は、リンクリストに繋げる際には優先順位順になるように繋ぎ換え処理を行います。

///////////////////////////////////////////////
//  TCBのレディリンクへの接続処理
//    タスク定義ナンバーで指定されるタスクの TCB ポインタを、タスク
//    の優先順位の順にリンクされた TCBのレディリンクにつなげる。
///////////////////////////////////////////////
 
void link_ready(unsigned char no)
{
    struct TCB *tcb1, *tcb2;
 
    // READY TASKが存在しない場合、タスク定義ナンバーで指定さ
    // れるタスクのTCBをレディリンクの先頭(スケジューラ コントロールブロック
    // のレディリンクポインタ)につなぐ
    if (scb.ready == NULL) {
        scb.ready = &tcb[no];
        tcb[no].next = NULL;
 
    // タスク定義ナンバーで指定されるタスクの優先順位が、レディリンクの
    // 先頭(スケジューラコントロールブロックのレディリンクポインタ) のタスクの
    // 優先順位よりも高い場合レディリンクの先頭につなぐ。
    }
    else if ((*scb.ready).level < tcb[no].level) {
 
        tcb[no].next = scb.ready;
        scb.ready = &tcb[no];
 
    // レディリンクに、タスク定義ナンバーで指定されるタスクの TCBが、タスクの
    // 優先順位の順に並ぶように挿入する。
    }
    else {
 
        tcb2 = scb.ready;
        do {
            tcb1 = tcb2;
            tcb2 = (*tcb1).next;
 
            // TCBのリンクポインタがNULL の場合、そのTCBがレディリンクの最終TCBである。
            // この場合、タスク定義ナンバーで指定されるタスクの TCBをレディリンクの最後に挿入する。
            if (tcb2 == NULL) {
                (*tcb1).next = &tcb[no];
                tcb[no].next = NULL;
                return;
            }
 
            // TCBのレディリンク間のタスクの優先順位をチェック
        } while ((*tcb2).level > tcb[no].level);
        (*tcb1).next = &tcb[no];
        tcb[no].next = tcb2;
    }
}

次の図は、実行可能(READY)リンクのリンクリストの繋ぎ換え処理のイメージです。

この図は、以下のコードの赤字の処理のケースです。

いかがでしょう。構造体のポインタを使ったリンクリストの管理、ポインタ処理が面白くなってきたでしょうか？？

スタックの使い方

次にスタックの使い方について説明していきます。Cのコードを見ている限りスタックの使い方は見えませんが、関数の引数やローカル変数、関数を呼び出した時の戻りアドレスはスタック上に確保、退避されます。

また、割り込みが発生した場合も戻りアドレスやCPUの各レジスタはスタック上に退避します。リアルタイムカーネルでは、スタックの構造や使い方を利用してタスクの優先順位に応じた実行権の割り当て（タスク切り替え）を実現しています。

基本的なスタックの振る舞い

main() からタスク生成関数 task_create() をコールしたケースを例にスタックの動きを見てみましょう。次の x86 アセンブリコードとスタックの振る舞いの図を見てください。

関数 task_create() を呼ぶときには、３つの引数 優先順位 8、タスク番号 1、task_A のエントリーアドレスをスタックに積み、関数をコールします。このとき、更にリターンアドレスがスタックに積まれます。
関数を呼ぶと、スタック上にその関数がアクセスする引数やローカル変数などを含むスタックフレームを構成します。そのスタックフレーム内の引数やローカル変数へのアクセスにはベースポインタレジスタ bp が使われます。
関数 task_create では、最初にベースポインタレジスタ bp をスタックに積みます。このベースポインタレジスタ bp は、前の関数のスタックフレームのポインタです。その後、スタックポインタ sp → bp で関数 task_create のスタックフレームになります。
更に、関数にローカル変数がある場合は、スタック上にその領域が確保されます。

関数から戻る際にはベースポインタレジスタ bp とスタックポインタ sp を前の関数の状態に戻していきます。