如何設(shè)計一個小型嵌入式操作系統(tǒng)

前言

本文的目的是設(shè)計一個簡單的嵌入式操作系統(tǒng)，只實現(xiàn)一個基本任務(wù)調(diào)度器的功能。雖然不能稱為操作系統(tǒng)，但已體現(xiàn)了小型嵌入式操作系統(tǒng)的精髓，可以從中一窺操作系統(tǒng)的面目。

一、多任務(wù)機制

其實在單一CPU的情況下，是不存在真正的多任務(wù)機制的，存在的只有不同的任務(wù)輪流使用CPU，所以本質(zhì)上還是單任務(wù)的。但由于CPU執(zhí)行速度非常快，加上任務(wù)切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺好像有很多任務(wù)同時在運行一樣。這就是所謂的多任務(wù)機制。

實時系統(tǒng)的特征是延時可預(yù)測，能夠在一個規(guī)定的時間內(nèi)(通常是ms級別的)對某些信號做出反應(yīng)。

二、任務(wù)的狀態(tài)

任務(wù)有下面的特性：任務(wù)并不是隨時都可以運行的，而一個已經(jīng)運行的任務(wù)并不能保證一直占有CPU直到運行完。一般有就緒態(tài)，運行態(tài)，掛起態(tài)等。

運行態(tài)：一個運行態(tài)的任務(wù)是一個正在使用CPU的任務(wù)。任何時刻有且只有一個運行著的任務(wù)。

就緒態(tài)：一個就緒態(tài)任務(wù)是可運行的，等待占有CPU的任務(wù)釋放CPU。

掛起態(tài)：某些條件不滿足而掛起不能運行的狀態(tài)。

三、如何轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)

INT32U OSRdyTbl; /*就緒任務(wù)表*/上面定義一個32位變量，每一位代表一個任務(wù)，0表示掛起狀態(tài)，1表示就緒狀態(tài)。它記錄了各任務(wù)的就緒與否狀態(tài)，稱它為就緒表。OSRdyTbl定義為32位變量，對應(yīng)32個任務(wù)。當(dāng)然，定義為64位的話，便最多能支持64個任務(wù)。這樣，可以定義兩個宏，實現(xiàn)把任務(wù)的狀態(tài)變?yōu)榫途w或掛起態(tài)。

/*在就緒表中登記就緒任務(wù)*/#define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01<

/*從就緒表中刪除任務(wù)*/#define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01<

任務(wù)之間互相獨立，不存在互相調(diào)用的關(guān)系。所有任務(wù)在邏輯上都是平等的。由于任務(wù)之間互相看不見，所以他們之間的信息傳輸就無法當(dāng)面完成。這就需要各種通信機制如信號量，消息郵箱，隊列等來實現(xiàn)。

四、什么是搶占式調(diào)度？

調(diào)度的概念，通俗的說就是系統(tǒng)在多個任務(wù)中選擇合適的任務(wù)執(zhí)行。系統(tǒng)如何知道何時該執(zhí)行哪個任務(wù)？可以為每個任務(wù)安排一個唯一的優(yōu)先級別，當(dāng)同時有多個任務(wù)就緒時，優(yōu)先運行優(yōu)先級較高的任務(wù)。同時，任務(wù)的優(yōu)先級也作為任務(wù)的唯一標(biāo)識號。代碼中都是對標(biāo)識號來完成對任務(wù)的操作的。

所謂“搶占式調(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)，便立即剝奪當(dāng)前任務(wù)的運行權(quán)，把CPU分配給更高優(yōu)先級的任務(wù)。這樣CPU總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。

五、多任務(wù)系統(tǒng)的時間管理

與人一樣，多任務(wù)系統(tǒng)也需要一個“心跳”來維持其正常運行，這個心跳叫做時鐘節(jié)拍，通常由定時器產(chǎn)生一個固定周期的中斷來充當(dāng)。

OSTimeDly函數(shù)就是以時鐘節(jié)拍為基準(zhǔn)來延時的（在時鐘的中斷服務(wù)函數(shù)中，依次對各個延時任務(wù)的延時節(jié)拍數(shù)減1。若發(fā)現(xiàn)某個任務(wù)的延時節(jié)拍數(shù)變?yōu)?，則把它從掛起態(tài)置為就緒態(tài)。）。這個函數(shù)完成功能很簡單，就是先掛起當(dāng)起當(dāng)前任務(wù)，設(shè)定其延時節(jié)拍數(shù)，然后進(jìn)行任務(wù)切換，在指定的時鐘節(jié)拍數(shù)到來之后，將當(dāng)前任務(wù)恢復(fù)為就緒狀態(tài)。任務(wù)必須通過OSTimeDly或OSTaskSuspend讓出CPU的使用權(quán)（延時或等待事件），使更低優(yōu)先級任務(wù)有機會運行。

六、如何實現(xiàn)多任務(wù)？

只有一個CPU，如何在同一時間實現(xiàn)多個獨立程序的運行？要實現(xiàn)多任務(wù)，條件是每個任務(wù)互相獨立。人如何才能獨立，有自己的私有財產(chǎn)。任務(wù)也一樣，如果一個任務(wù)有自己的CPU，堆棧，程序代碼，數(shù)據(jù)存儲區(qū)，那這個任務(wù)就是一個獨立的任務(wù)。（CPU是通過多任務(wù)機制獲得的，其他的需要你分配）

TIPS：

如果一個任務(wù)正在運行某個公共函數(shù)時（如Printf）， 被另一個高優(yōu)先級的任務(wù)搶占，那么當(dāng)這個高優(yōu)先級的任務(wù)也調(diào)用同一個公共函數(shù)時，極有可能破壞原任務(wù)的數(shù)據(jù)。因為兩個任務(wù)可能共用一套數(shù)據(jù)。為了防止這種情況發(fā)生，常采用兩種措施:可重入設(shè)計和互斥調(diào)用。

可重入函數(shù)中所有的變量均為局部變量，局部變量在調(diào)用時臨時分配空間，所以不同的任務(wù)在不同的時刻調(diào)用該函數(shù)時，它們的同一個局部變量所分配的存儲空間并不相同（任務(wù)私有棧中），互不干擾。另外，如果可重入函數(shù)調(diào)用了其他函數(shù)，則這些被調(diào)用的函數(shù)也必須是可重入函數(shù)。

實現(xiàn)互斥（獨占）訪問的方法有關(guān)中斷，關(guān)調(diào)度，互斥信號量，計數(shù)信號量等。

6.1 一個任務(wù)如何擁有自己的程序代碼

對于如何實現(xiàn)多任務(wù)，首先是程序代碼，每個任務(wù)的程序代碼與函數(shù)一樣，與51的裸奔程序一樣，每個任務(wù)都是一個大循環(huán)。然后是數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由于全局變量是系統(tǒng)共用的，各個任務(wù)共享，不是任務(wù)私有，所以這里的數(shù)據(jù)存儲區(qū)是指任務(wù)的私有變量，如何變成私有？局部變量也。編譯器是把局部變量保存在棧里的，所以好辦，只要任務(wù)有個私有的棧就行。

TIPS：臨界資源是一次僅允許一個任務(wù)使用的共享資源。每個任務(wù)中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)。

在多任務(wù)系統(tǒng)中，為保障數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，共享資源要互斥（獨占）訪問，所以全局變量（只讀的除外）不能同時有多個任務(wù)訪問，即一個任務(wù)訪問的時候不能被其他任務(wù)打斷。共享資源是一種臨界資源。

6.2 一個任務(wù)如何擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)存儲區(qū)

私有棧的作用是存放局部變量，函數(shù)的參數(shù)，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態(tài)數(shù)組，把棧頂指針SP指向棧的數(shù)組的首元素（遞增棧）或最后一個元素（遞減棧）。即可打造一個人工的棧出來。每個任務(wù)還要有記錄自己棧頂指針的變量，保存在任務(wù)控制塊（TCB）中。

什么是任務(wù)控制塊？

系統(tǒng)中的每個任務(wù)具有一個任務(wù)控制塊，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，這里的任務(wù)控制塊比較簡單，只包含了任務(wù)的堆棧指針和任務(wù)延時節(jié)拍數(shù)。任務(wù)控制塊是任務(wù)的身份證。它把任務(wù)的程序與數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，找到它就可以得到任務(wù)的所有資源。

6.3 一個任務(wù)如何擁有自己的CPU

最后來看看任務(wù)是如何“擁有”自己的CPU的。只有一個CPU，各個任務(wù)共享，輪流使用。如何才能實現(xiàn)？我們先來看看中斷的過程，當(dāng)中斷來臨時，CPU把當(dāng)前程序的運行地址，寄存器等現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存起來（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務(wù)程序執(zhí)行。待執(zhí)行完畢，再把先前保存的數(shù)據(jù)裝回CPU又回到原來的程序執(zhí)行。這樣就實現(xiàn)了兩個不同程序的交叉運行。

借鑒這種思想不就能實現(xiàn)多任務(wù)了嗎！模仿中斷的過程就可以實現(xiàn)任務(wù)切換運行。任務(wù)切換時，把當(dāng)前任務(wù)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存在自己的任務(wù)棧里面，再把待運行的任務(wù)的數(shù)據(jù)從自己的任務(wù)棧裝載到CPU中，改變CPU的PC，SP，寄存器等?？梢哉f，任務(wù)的切換是任務(wù)運行環(huán)境的切換。而任務(wù)的運行環(huán)境保存在任務(wù)棧中，也就是說，任務(wù)切換的關(guān)鍵是把任務(wù)的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針SP。

創(chuàng)建一個任務(wù)。它接收三個參數(shù)，分別是任務(wù)的入口地址，任務(wù)堆棧的首地址和任務(wù)的優(yōu)先級。調(diào)用本函數(shù)后，系統(tǒng)會根據(jù)用戶給出的參數(shù)初始化任務(wù)棧，并把棧頂指針保存到任務(wù)控制塊中，在任務(wù)就緒表標(biāo)記該任務(wù)為就緒狀態(tài)。最后返回，這樣一個任務(wù)就創(chuàng)建成功了。

當(dāng)一個任務(wù)將要運行時，便通過取得它的堆棧指針（保存在任務(wù)控制塊中）將這些寄存器出棧裝入CPU相應(yīng)的位置即可。

6.4 如何實現(xiàn)搶占式調(diào)度？

基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，也就是最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的處理器資源。為了保證CPU總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)，每當(dāng)任務(wù)狀態(tài)改變后，即判斷當(dāng)前運行的任務(wù)是否是就緒任務(wù)中優(yōu)先級最高的，否則進(jìn)行任務(wù)切換。

任務(wù)狀態(tài)會在什么時候發(fā)生改變呢？有下面兩種情況：

1、高優(yōu)先級的任務(wù)因為需要某種資源或延時，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務(wù)獲得執(zhí)行，這種調(diào)度稱為任務(wù)級的切換。如任務(wù)執(zhí)行OSTimeDly（）或OSTaskSuspend（）把自身掛起就屬于這種。

2、高優(yōu)先級的任務(wù)因為時鐘節(jié)拍到來，或在中斷處理結(jié)束后，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)更高優(yōu)先級任務(wù)獲得了執(zhí)行條件(如延時的時鐘到時)則在中斷后直接切換到更高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行。這種調(diào)度也稱為中斷級的切換。

6.5 掛起/恢復(fù)任務(wù)

1 掛起任務(wù)

通過 OSTaskSuspend()可以主動掛起一個任務(wù)。OSTaskSuspend()會把任務(wù)從任務(wù)就緒表中移出，最后重新啟動系統(tǒng)調(diào)度。這個函數(shù)可以掛起任務(wù)本身也可以掛起其他任務(wù)。

2 恢復(fù)任務(wù)（OSTaskResume()）

可以讓被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 掛起的任務(wù)恢復(fù)就緒態(tài)，然后進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。