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动手写简单的嵌入式操作系统一

发表于:2017-01-09 作者:网络转载 来源:

  业余时间想研究一下RTOS,但是现有的嵌入式系统很多,代码量也很大,厚厚的一本书,又是任务控制块,又是链表又是指针的指来指去,让人不耐心点根本看不下去,也没太多时间去研究。于是就有了自己动手去做的想法,这样可以提高兴趣.比看书有意思。慢慢的发现,操作系统也没有那么神秘。触发软中断,保存堆栈,开始进行任务切换。于是一个多任务就出来了,但是一个完整的操作系统并不简单,涉及到一系列的算法和数据结构的运用,还有系统的引导程序bootloader,内存管理,文件系统,网络管理,IO驱动管理等模块。

  有了想法,接下来就是付诸行动。但是还得学习汇编,这成了最大阻碍,工作任务多,下班后,没太多精力去学习它。不过只要能看的懂就可以。于是把ucos/II在stm32上移植部分的汇编代码招搬过来直接利用。这样可以把主要精力放在任务调度和任务间的同步和通讯上。这次任务创建和调度的原理很简单,效率肯定也不高。以后有更好的想法了,打算改进一下任务的调度算法,比如可以利用linux内核中的list_head双向循环链表,加入就绪队列和任务延时队列。利用keilRTX系统中的内存分配机制,动态allox()分配任务的TCB控制块,总之,多学习好的系统中的思想。

  以下是汇编的代码OS_CPU_A.ASM,完成任务之间的切换和堆栈的保存。

  主要是两个堆栈指针OSCurTCB,OSNewTCB。可以把主要精力放在用c写任务调度和任务间的同步与通信,

  利用以下汇编代码,就可以暂时不管汇编部分,该任务调度时调用OSCtxSw(),传递最高优先级任务的堆栈指针给OSNewTCB,完成两个任务切换。

;/*********************** (C) COPYRIGHT 2010 Libraworks *************************
;* File Name : os_cpu_a.asm
;* Author  : Librae
;* Version  : V1.0
;* Date   : 06/10/2010
;* Description : μCOS-II asm port for STM32
;*******************************************************************************/
  IMPORT  OSCurTCB                    ; External references
  IMPORT  OSNewTCB
  IMPORT  OSTaskSwHook
                 
  EXPORT  OSStartTask
  EXPORT  OSCtxSw
  EXPORT  OSIntCtxSw
  EXPORT  OS_CPU_SR_Save                       ; Functions declared in this file
  EXPORT  OS_CPU_SR_Restore     
  EXPORT  PendSV_Handler
   
NVIC_PENDSV_PRI  EQU     0xFFFF0000               ; PendSV priority value (lowest)
NVIC_PENDSVSET   EQU     0x10000000               ; value to trigger PendSV exception
NVIC_INT_CTRL    EQU     0xE000ED04               ; interrupt control state register
NVIC_SYSPRI2     EQU     0xE000ED20               ; system priority register (2)

  PRESERVE8
 
  AREA    |.text|, CODE, READONLY
        THUMB
  
         
;********************************************************************************************************
;                                   CRITICAL SECTION METHOD 3 FUNCTIONS
;
;********************************************************************************************************
OS_CPU_SR_Save
    MRS     R0, PRIMASK   ;读取PRIMASK到R0,R0为返回值
    CPSID   I    ;PRIMASK=1,关中断(NMI和硬件FAULT可以响应)
    BX      LR       ;返回
OS_CPU_SR_Restore
    MSR     PRIMASK, R0     ;读取R0到PRIMASK中,R0为参数;open interrupt
    BX      LR    ;返回

;/**************************************************************************************
;* 函数名称: OSStartTask
;*
;* 功能描述: 使用调度器运行第一个任务
;*
;* 参    数: None
;*
;* 返 回 值: None
;**************************************************************************************/
OSStartTask
        LDR     R4, =NVIC_SYSPRI2      ; set the PendSV exception priority
        LDR     R5, =NVIC_PENDSV_PRI
        STR     R5, [R4]
        MOV     R4, #0                 ; set the PSP to 0 for initial context switch call
        MSR     PSP, R4
                                       ;切换到最高优先级的任务
        LDR     R4, =NVIC_INT_CTRL     ;rigger the PendSV exception (causes context switch)
        LDR     R5, =NVIC_PENDSVSET    ;触发PendSV异常 (causes context switch)
        STR     R5, [R4]
        CPSIE   I                      ;enable interrupts at processor level
OSStartHang
        B       OSStartHang            ;should never get here
;/**************************************************************************************
;* 函数名称: OSCtxSw
;*
;* 功能描述: 任务级上下文切换       
;*
;* 参    数: None
;*
;* 返 回 值: None
;***************************************************************************************/
 
OSCtxSw
  PUSH    {R4, R5}
        LDR     R4, =NVIC_INT_CTRL   ;触发PendSV异常 (causes context switch)
        LDR     R5, =NVIC_PENDSVSET
        STR     R5, [R4]
  POP     {R4, R5}
        BX      LR
  NOP

;/**************************************************************************************
;* 函数名称: OSIntCtxSw
;*
;* 功能描述: 中断级任务切换
;*
;* 参    数: None
;*
;* 返 回 值: None
;***************************************************************************************/
OSIntCtxSw
  PUSH    {R4, R5}
        LDR     R4, =NVIC_INT_CTRL      ;触发PendSV异常 (causes context switch)
        LDR     R5, =NVIC_PENDSVSET
        STR     R5, [R4]
  POP     {R4, R5}
        BX      LR
        NOP
;/**************************************************************************************
;* 函数名称: OSPendSV
;*
;* 功能描述: OSPendSV is used to cause a context switch.
;*
;* 参    数: None
;*
;* 返 回 值: None
;***************************************************************************************/
PendSV_Handler
        CPSID   I                                   ; Prevent interruption during context switch
        MRS     R0, PSP                             ; PSP is process stack pointer 如果在用PSP堆栈,则可以忽略保存寄存器,参考CM3权威中的双堆栈-白菜注
        CBZ     R0, PendSV_Handler_Nosave           ; Skip register save the first time
        SUBS    R0, R0, #0x20         
        STM     R0, {R4-R11}                        ; Save remaining regs r4-11 on process stack
        LDR     R1, =OSCurTCB    
        LDR     R1, [R1]
        STR     R0, [R1]                             ; R0 is SP of process being switched out          
PendSV_Handler_Nosave
        PUSH    {R14}                                ; Save LR exc_return value
        LDR     R0, =OSTaskSwHook                    ; OSTaskSwHook();
        BLX     R0
        POP     {R14}
        LDR     R0, =OSCurTCB                         ;OSCurTCB=OSNewTCB;     
        LDR     R1, =OSNewTCB
        LDR     R2, [R1]
        STR     R2, [R0]
        LDR     R0, [R2]                              ; R0 is new process SP; SP = OSCurTCB;       
        LDM     R0, {R4-R11}                ; Restore r4-11 from new process stac
        ADD     R0, R0, #0x20
        MSR     PSP, R0             
        ORR     LR, LR, #0x04
  CPSIE   I                                 ; Exception return will restore remaining context
        BX      LR                   
  end

  接下来定义一个任务控制块:

typedef struct taskControlBlock
{
 /*当前的栈顶指针*/
 OS_STK     *pStackTop;
 /*当前优先级*/
 PRIO_TYPE    CurPriority;
 /*任务状态*/
 uint8      TaskStat;
 /*等待时间片的个数*/
 int32     TCBDelay;
 
} TCB;
/*当前运行的任务*/
TCB   *OSCurTCB;
/*当前准备新运行的任务*/
TCB   *OSNewTCB;
/*当前OS中所有的任务*/
uint8  TaskNUM=0;
TCB   OSTCBTable[MAX_TASK_NUM];

  OSCurTCB和OSNewTCB分别是当前运行任务的堆栈指针和要运行的新任务的堆栈指针。

  下一步就是任务的创建了,任务是如何创建的。每个任务都有自己的堆栈空间,就像是单独占用CPU一样,所以创建任务还需完成任务堆栈的初始化。

  需要知道CPU是如何出栈压栈的,保存了哪些寄存器,顺序是什么,堆栈的增长方向是什么。参考《cortexM3权威指南》,书中有详细的介绍。

  以下是c语言写的任务堆栈的初始化函数,位于文件OS_CPU.c中,如果需要移植,除了汇编部分OS_CPU_A.asm文件修改外,OS_CPU.c和OS_TYPE.h等文件也需要修改。仅这几个文件。

  OS_STK实际上就是int32,因为stm32上堆栈指针就是32位长度。第一个参数是任务的地址,即函数的地址,第二个参数是任务的堆栈指针。

OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task),OS_STK *ptos)
{
    OS_STK *stk;
    stk    = ptos;                          /* get stack point       */
    *(stk)    = (uint32)0x01000000L;        /* xPSR                  */
    *(--stk)  = (uint32)task;               /* Entry Point           */
    *(--stk)  = (uint32)0xFFFFFFFEL;        /* R14 (LR)              */
    *(--stk)  = (uint32)0x12121212L;        /* R12                   */
    *(--stk)  = (uint32)0x03030303L;        /* R3                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x02020202L;        /* R2                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x01010101L;        /* R1                    */
    *(--stk)  = (uint32)0;                  /* R0 : argument         */
                                            /* Remaining registers   */
    *(--stk)  = (uint32)0x11111111L;        /* R11                   */
    *(--stk)  = (uint32)0x10101010L;        /* R10                   */
    *(--stk)  = (uint32)0x09090909L;        /* R9                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x08080808L;        /* R8                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x07070707L;        /* R7                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x06060606L;        /* R6                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x05050505L;        /* R5                    */
    *(--stk)  = (uint32)0x04040404L;        /* R4                    */
    return (stk);
}

/*
 * 创建新的任务
*/
TCB*  OSTaskCreate(void* task, OS_STK *stack,PRIO_TYPE prio)
{
 TCB *pTCB;
 OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;
 
 OS_ENTER_CRITICAL();
 
 pTCB = OSGetFreeTCB(prio);
 if (NULL == pTCB)
 {
  OS_EXIT_CRITICAL();
  return NULL;
 }
 pTCB->pStackTop = OSTaskStkInit(task, stack);
 pTCB->CurPriority = prio;
 pTCB->TCBDelay = 0;
 
 TaskNUM++;
 OS_EXIT_CRITICAL();
 return pTCB;
}

  创建新任务函数很简单,只要懂了OSGetFreeTCB(prio);这个函数就没啥问题。创建的任务,是一个有序的表,就是一个存储元素为

  TCB类型的数组TCB  OSTCBTable[MAX_TASK_NUM];在这个数组中,先在OSTCBTable[0]中创建一个任务,如果再创建一个任务,这个任务比上个任务的优先级高,那么OSTCBTable[0]中存储优先级高的任务,那个之前先创建的低优先级的任务搬移到OSTCBTable[1]中。如果再创建一个任务,任务优先级会与前两个任务对比,若比前两个都低,就放在第三个位置OSTCBTable[2]中,否则就重新排序,总之,使OSTCBTable数组中的任务始终是按优先级从高到低的顺序排列。

  以下是这种思想实现的OSGetFreeTCB(prio)函数:

/*在TCB表中取一个空闲的节点,给新任务使用*/
/*对OSTCBTable表这个有序表进行插入排序*/
/*将优先级高的任务放在前面*/
TCB* OSGetFreeTCB(PRIO_TYPE prio)
{
 TCB *pTCB;
 int32 index=0,orgIndex;
 pTCB = &(OSTCBTable[0]);
 for (index = 0;index < TaskNUM+1;index++)
 {
  pTCB = OSTCBTable+index;
  /*已经是空闲TCB了,就直接使用*/
  if (NULL == pTCB->pStackTop)
  {
   return (TCB*)pTCB;
  }
  /*若新任务优先级比较低或相等,则向后继续找*/
  if (pTCB->CurPriority >= prio)
  {
   continue;
  }
  else /*pTCB->CurPriority < prio 找到了该插入的位置了*/
  {
   /*保存当前位置*/
   orgIndex = index;
   /*从当前节点遍历到最后一个使用了的节点*/
   for( index = TaskNUM ; index > orgIndex ; index-- )
   {
    pTCB = OSTCBTable+index;
    /*将前一个节点的数据,保存到当前节点*/
    _mem_copy((uint8 *)(pTCB),(uint8 *)(pTCB-1),sizeof(TCB));
   }
   _mem_clr((uint8 *)(pTCB-1),sizeof(TCB))  ;
  
   return (TCB*)(pTCB-1);
  }
 }
 return (TCB*)NULL;
}

  任务创建是基于一个有序表。这种方法虽然简单直观,但也有很大缺点。比如如果建立了100个任务,又准备建立第101个任务,且第101个任务优先级是最高的。那么创建任务就很慢,需要前面一百个任务依次都向后移,第101个任务放在数组的最前面。这是十分耗时的操作,随着任务数的增加,创建任务的时间也随着增加。后面还要讲到,这种方法建立的任务查找最高优先级时,需要遍历数组,在效率上也是不快的,尤其是任务数目多时。任务创建之后,接下来的事情就是何时需要任务切换,如何查找最高优先级了。先说下何时需要任务切换,每个任务都是一个while(1)死循环,在里面执行到OSTimedly()时就会挂起当前任务,查找最高优先级的任务。每个任务的控制块中都有个延时时间的变量,当这个延时时间变量大于0,说明这个任务还处于睡眠或挂起状态,不能够被执行。因此还需要一个系统时钟函数,作为整个系统的调度中心,每到一个系统时钟中断,让所有任务的延时时间减一。

/*
 *系统时钟函数,在时钟中断中调用
*/
void  OSTimeTick (void)
{
    int8 index;
    TCB  *pTCB;
    uint8 flagFirstTask=0;
    OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;
    OS_ENTER_CRITICAL();
    /*初始化*/
    OSNewTCB = NULL;
 /*禁止调度*/
    if (OSScheLock != 0)
    {
       OS_EXIT_CRITICAL();
       return;
    }
 for (index = 0;index < TaskNUM;index++)
 {
     pTCB = OSTCBTable+index;
    /*该任务在睡眠状态,必须将所有时延都--*/
     if (pTCB->TCBDelay > 0)
     {
        pTCB->TCBDelay--;
        continue;
     }
     /*该任务被挂起*/
     if (pTCB->TaskStat == OS_Task_Pend)
     {
         continue;
     }
    /*任务优先级查找算法,以后考虑改进查找速度*/
   /* 是否找到了应该调度进去的就绪任务*/
  if (flagFirstTask==0)
  {
   /*找到了最高优先级的任务,
     并且比当前任务优先级高*/
     if (OSCurTCB->CurPriority < pTCB->CurPriority)
     {
        flagFirstTask = 1;
        OSNewTCB = pTCB;
        continue;
     }
    /*找到了比当前优先级低的任务*/
    if (OSCurTCB->CurPriority > pTCB->CurPriority)
   {
       if (OSNewTCB == NULL)
      {
          flagFirstTask = 1;
          OSNewTCB = pTCB;
          continue  ;
      }
      else
     {
         flagFirstTask = 1;
        continue  ;
      }
   }
 
   /*找到了最高优先级的任务,
     并且跟当前任务优先级相等*/
   if (OSCurTCB->CurPriority == pTCB->CurPriority)
   {
    /*该任务在当前任务之后*/
    if ((pTCB > OSCurTCB)||(pTCB == OSCurTCB))
    {
     flagFirstTask = 1;
     OSNewTCB = pTCB;
     continue  ;
    }
    /*在当前任务之前或者就是当前任务
      则还需要继续向后搜索第一个同优先级的任务*/
    if ((pTCB < OSCurTCB)&&(OSNewTCB == NULL))
    {
      OSNewTCB = pTCB;
      continue;
    }
   }
   continue;
  }
 
 }
 OS_EXIT_CRITICAL();
}

   在时钟中断里,需要调用这个函数,这个函数的作用很简单,一方面让每个任务的延时时间减一,一方面查找最高优先级的任务,找到了最高优先级的任务时,就把 OSNewTCB = pTCB;把最高优先级的任务堆栈指针赋给 OSNewTCB 。

void SysTick_Handler(void)
{
 OSIntEnter();  //进入中断
 OSTimeTick();
 OSIntExit();        //触发任务切换软中断
}

/*
*记录中断嵌套层数
*/
void  OSIntEnter (void)
{
    if (NULL != OSCurTCB)
   {
        if (OSIntNesting < 255u)
        {
            OSIntNesting++;                      /* Increment ISR nesting level                        */
        }
    }
}

/*
*中断退出时调用,触发中断级任务切换
*/
void  OSIntExit (void)
{
     OS_CPU_SR  cpu_sr = 0u;
    if (NULL!= OSCurTCB)
    {
        OS_ENTER_CRITICAL();
        if (OSIntNesting > 0u)
        {                         
            OSIntNesting--;
        }
        if (OSIntNesting == 0u)
        {                        
            /* 当所有的中断完成候再判断是否调度  */
            if (OSNewTCB != OSCurTCB)
            {
              /* 中断级任务切换  */
              OSIntCtxSw();  
            }
        }
        OS_EXIT_CRITICAL();
    }
}

  在时钟中断里,退出时调用 OSIntExit();        //触发任务切换软中断

  在这个函数中,比较当前任务指针是否发生了改变,若发生了改变,说明需要进行任务切换了。

  下面再看看延时函数OSTimeDly (int32 ticks)

void  OSTimeDly (int32 ticks)
{
    OS_CPU_SR  cpu_sr = 0;
    int8   index;
    TCB    *pTCB;
 
    OS_ENTER_CRITICAL();
    OSCurTCB->TCBDelay = ticks;
    OSNewTCB = NULL;
   /*任务优先级查找算法,从当前任务
    向后遍历,第一个最大的优先级的任务
    就是需要调度进去的任务*/
    for (index = 0; index < TaskNUM;index++)
    {
       pTCB = OSTCBTable+index;
       /*跳过睡眠任务*/
       if (pTCB->TCBDelay != 0)
       {
           continue;
       }
       /*跳过挂起任务*/
       if  (pTCB->TaskStat == OS_Task_Pend)
       {  
            continue;
       }
      /*找到了最高优先级的任务,
       并且比当前任务优先级高*/
      if (OSCurTCB->CurPriority < pTCB->CurPriority)
     {
         OSNewTCB = pTCB;
         break;
      }
      /*找到了比当前优先级低的任务*/
     if (OSCurTCB->CurPriority > pTCB->CurPriority)
     {
         /*如果当前任务之前有同优先级的就绪任务,
         则选择该任务,否则就使用*/
        if (OSNewTCB == NULL)
        {
            OSNewTCB = pTCB;
        }      
        break;
  }
 
  /*找到了最高优先级的任务,
    并且跟当前任务优先级相等*/
  if (OSCurTCB->CurPriority == pTCB->CurPriority)
  {
     /*该任务在当前任务之后*/
     if ((pTCB > OSCurTCB))
     {
          OSNewTCB = pTCB;
          break  ;
     }
   /*在当前任务之前或者就是当前任务
     则还需要继续向后搜索第一个同优先级的任务*/
    if (((pTCB < OSCurTCB)||(pTCB == OSCurTCB))
        &&(OSNewTCB == NULL))
    {
         OSNewTCB = pTCB;
         continue;
    }
  }
 
 }
 OS_EXIT_CRITICAL();
 OSTaskSche();
}

  延时函数也很简单,就是一方面把需要延时的时间给任务控制结构体中的延时变量,一方面查找最高优先级的任务开始进行任务切换。以上就完成了简单的任务切换和调度。从上面可以看出,查找效率是很低的,尤其是任务数目多的时候,需要从头到尾的遍历一遍数组。创建任务和查找高优先级的任务都有改进的空间,如果以后想到更好的更有效的方法再改一改,试一试。

  以上实现了简单的任务调度和切换。接下来,就是任务间如何进行同步和通讯...

  在CSDN资源中可以下载工程的源码,KEILMDK4.23的IDE

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