如何設計一個(gè)小型嵌入式操作系統

前言

本文的目的是設計一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統，只實(shí)現一個(gè)基本任務(wù)調度器的功能。雖然不能稱(chēng)為操作系統，但已體現了小型嵌入式操作系統的精髓，可以從中一窺操作系統的面目。

一、多任務(wù)機制

其實(shí)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執行速度非?？?，加上任務(wù)切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺(jué)好像有很多任務(wù)同時(shí)在運行一樣。這就是所謂的多任務(wù)機制。

實(shí)時(shí)系統的特征是延時(shí)可預測，能夠在一個(gè)規定的時(shí)間內(通常是ms級別的)對某些信號做出反應。

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(shí)都可以運行的，而一個(gè)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(gè)運行態(tài)的任務(wù)是一個(gè)正在使用CPU的任務(wù)。任何時(shí)刻有且只有一個(gè)運行著(zhù)的任務(wù)。

就緒態(tài)：一個(gè)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(mǎn)足而掛起不能運行的狀態(tài)。

三、如何轉化為就緒態(tài)

INT32U OSRdyTbl; /*就緒任務(wù)表*/上面定義一個(gè)32位變量，每一位代表一個(gè)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(chēng)它為就緒表。OSRdyTbl定義為32位變量，對應32個(gè)任務(wù)。當然，定義為64位的話(huà)，便最多能支持64個(gè)任務(wù)。這樣，可以定義兩個(gè)宏，實(shí)現把任務(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(jiàn)，所以他們之間的信息傳輸就無(wú)法當面完成。這就需要各種通信機制如信號量，消息郵箱，隊列等來(lái)實(shí)現。

四、什么是搶占式調度？

調度的概念，通俗的說(shuō)就是系統在多個(gè)任務(wù)中選擇合適的任務(wù)執行。系統如何知道何時(shí)該執行哪個(gè)任務(wù)？可以為每個(gè)任務(wù)安排一個(gè)唯一的優(yōu)先級別，當同時(shí)有多個(gè)任務(wù)就緒時(shí)，優(yōu)先運行優(yōu)先級較高的任務(wù)。同時(shí)，任務(wù)的優(yōu)先級也作為任務(wù)的唯一標識號。代碼中都是對標識號來(lái)完成對任務(wù)的操作的。

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

五、多任務(wù)系統的時(shí)間管理

與人一樣，多任務(wù)系統也需要一個(gè)“心跳”來(lái)維持其正常運行，這個(gè)心跳叫做時(shí)鐘節拍，通常由定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)固定周期的中斷來(lái)充當。

OSTimeDly函數就是以時(shí)鐘節拍為基準來(lái)延時(shí)的（在時(shí)鐘的中斷服務(wù)函數中，依次對各個(gè)延時(shí)任務(wù)的延時(shí)節拍數減1。若發(fā)現某個(gè)任務(wù)的延時(shí)節拍數變?yōu)?，則把它從掛起態(tài)置為就緒態(tài)。）。這個(gè)函數完成功能很簡(jiǎn)單，就是先掛起當起當前任務(wù)，設定其延時(shí)節拍數，然后進(jìn)行任務(wù)切換，在指定的時(shí)鐘節拍數到來(lái)之后，將當前任務(wù)恢復為就緒狀態(tài)。任務(wù)必須通過(guò)OSTimeDly或OSTaskSuspend讓出CPU的使用權（延時(shí)或等待事件），使更低優(yōu)先級任務(wù)有機會(huì )運行。

六、如何實(shí)現多任務(wù)？

只有一個(gè)CPU，如何在同一時(shí)間實(shí)現多個(gè)獨立程序的運行？要實(shí)現多任務(wù)，條件是每個(gè)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(gè)任務(wù)有自己的CPU，堆棧，程序代碼，數據存儲區，那這個(gè)任務(wù)就是一個(gè)獨立的任務(wù)。（CPU是通過(guò)多任務(wù)機制獲得的，其他的需要你分配）

TIPS：

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

可重入函數中所有的變量均為局部變量，局部變量在調用時(shí)臨時(shí)分配空間，所以不同的任務(wù)在不同的時(shí)刻調用該函數時(shí)，它們的同一個(gè)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，如果可重入函數調用了其他函數，則這些被調用的函數也必須是可重入函數。

實(shí)現互斥（獨占）訪(fǎng)問(wèn)的方法有關(guān)中斷，關(guān)調度，互斥信號量，計數信號量等。

6.1 一個(gè)任務(wù)如何擁有自己的程序代碼

對于如何實(shí)現多任務(wù)，首先是程序代碼，每個(gè)任務(wù)的程序代碼與函數一樣，與51的裸奔程序一樣，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)大循環(huán)。然后是數據存儲區，由于全局變量是系統共用的，各個(gè)任務(wù)共享，不是任務(wù)私有，所以這里的數據存儲區是指任務(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(gè)私有的棧就行。

TIPS：臨界資源是一次僅允許一個(gè)任務(wù)使用的共享資源。每個(gè)任務(wù)中訪(fǎng)問(wèn)臨界資源的那段程序稱(chēng)為臨界區。

在多任務(wù)系統中，為保障數據的可靠性和完整性，共享資源要互斥（獨占）訪(fǎng)問(wèn)，所以全局變量（只讀的除外）不能同時(shí)有多個(gè)任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)，即一個(gè)任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)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(gè)任務(wù)如何擁有自己的堆棧、數據存儲區

私有棧的作用是存放局部變量，函數的參數，它是一個(gè)線(xiàn)性的空間，所以可以申請一個(gè)靜態(tài)數組，把棧頂指針SP指向棧的數組的首元素（遞增棧）或最后一個(gè)元素（遞減棧）。即可打造一個(gè)人工的棧出來(lái)。每個(gè)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？

系統中的每個(gè)任務(wù)具有一個(gè)任務(wù)控制塊，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執行的環(huán)境，這里的任務(wù)控制塊比較簡(jiǎn)單，只包含了任務(wù)的堆棧指針和任務(wù)延時(shí)節拍數。任務(wù)控制塊是任務(wù)的身份證。它把任務(wù)的程序與數據聯(lián)系起來(lái)，找到它就可以得到任務(wù)的所有資源。

6.3 一個(gè)任務(wù)如何擁有自己的CPU

最后來(lái)看看任務(wù)是如何“擁有”自己的CPU的。只有一個(gè)CPU，各個(gè)任務(wù)共享，輪流使用。如何才能實(shí)現？我們先來(lái)看看中斷的過(guò)程，當中斷來(lái)臨時(shí)，CPU把當前程序的運行地址，寄存器等現場(chǎng)數據保存起來(lái)（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務(wù)程序執行。待執行完畢，再把先前保存的數據裝回CPU又回到原來(lái)的程序執行。這樣就實(shí)現了兩個(gè)不同程序的交叉運行。

借鑒這種思想不就能實(shí)現多任務(wù)了嗎！模仿中斷的過(guò)程就可以實(shí)現任務(wù)切換運行。任務(wù)切換時(shí)，把當前任務(wù)的現場(chǎng)數據保存在自己的任務(wù)棧里面，再把待運行的任務(wù)的數據從自己的任務(wù)棧裝載到CPU中，改變CPU的PC，SP，寄存器等?？梢哉f(shuō)，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(shuō)，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(gè)任務(wù)。它接收三個(gè)參數，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。調用本函數后，系統會(huì )根據用戶(hù)給出的參數初始化任務(wù)棧，并把棧頂指針保存到任務(wù)控制塊中，在任務(wù)就緒表標記該任務(wù)為就緒狀態(tài)。最后返回，這樣一個(gè)任務(wù)就創(chuàng )建成功了。

當一個(gè)任務(wù)將要運行時(shí)，便通過(guò)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相應的位置即可。

6.4 如何實(shí)現搶占式調度？

基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調度，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總是執行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)，每當任務(wù)狀態(tài)改變后，即判斷當前運行的任務(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(huì )在什么時(shí)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(shí)，主動(dòng)請求掛起，讓出處理器，此時(shí)將調度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務(wù)獲得執行，這種調度稱(chēng)為任務(wù)級的切換。如任務(wù)執行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(shí)鐘節拍到來(lái)，或在中斷處理結束后，內核發(fā)現更高優(yōu)先級任務(wù)獲得了執行條件(如延時(shí)的時(shí)鐘到時(shí))則在中斷后直接切換到更高優(yōu)先級任務(wù)執行。這種調度也稱(chēng)為中斷級的切換。

6.5 掛起/恢復任務(wù)

1 掛起任務(wù)

通過(guò) OSTaskSuspend()可以主動(dòng)掛起一個(gè)任務(wù)。OSTaskSuspend()會(huì )把任務(wù)從任務(wù)就緒表中移出，最后重新啟動(dòng)系統調度。這個(gè)函數可以?huà)炱鹑蝿?wù)本身也可以?huà)炱鹌渌蝿?wù)。

2 恢復任務(wù)（OSTaskResume()）

可以讓被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 掛起的任務(wù)恢復就緒態(tài)，然后進(jìn)行任務(wù)調度。