為了更明顯地驗(yàn)證這一點(diǎn)，你可以在WINDOWS下打開VC6.0或其他的C語言編譯器，寫段代碼如下：

　

#include <stdio.h>

void main(void) 

{while(1) ;}

　

意思是讓CPU不做事情在等待，你猜，這句代碼會(huì)消耗掉多少CPU時(shí)間？

　

答案會(huì)根據(jù)不同機(jī)型而不同，如果是單核CPU的話，這句話會(huì)消耗掉CPU接近100%的時(shí)間！如果是雙核CPU，則只消耗掉50%左右，因?yàn)檫@段代碼只運(yùn)行在其中一個(gè)核，另外一個(gè)核還可以做別的事情，截圖如下：

　

 然后你可以測試下面這幾句代碼：

#include <stdio.h>

#include <windows.h>

void main(void)

{while(1)

Sleep(100);

}

　

這段代碼實(shí)際上也是什么都不做，它不斷地調(diào)用Sleep()函數(shù)，讓它延時(shí)100毫秒再醒來，然后繼續(xù)睡覺。現(xiàn)在你可以再打開任務(wù)管理器看一下CPU時(shí)間用了多少，答案是基本不用CPU時(shí)間！！

　

為什么同樣地什么事情都不做，差別咋就這么大呢？這是因?yàn)槭褂昧薙leep()這個(gè)函數(shù)是WINDOWS操作系統(tǒng)為你提供的，調(diào)用Sleep()之后 WINDOWS操作系統(tǒng)自動(dòng)把你這個(gè)程序掛起了（就是暫時(shí)扔到一邊不管），然后讓CPU去執(zhí)行其他程序，等到時(shí)間到了，操作系統(tǒng)再把這段程序恢復(fù)繼續(xù)執(zhí)行，這樣的話CPU就可以得到充分地利用了，也就是說你可以在一塊CPU里面“同時(shí)”執(zhí)行多個(gè)任務(wù)而互不影響！（這里所說的“同時(shí)”并不是同時(shí)執(zhí)行，CPU每一時(shí)刻只能做一件事，但如果速度足夠快的話就可以讓人感到它是在同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)了）。是的，操作系統(tǒng)就是為了解決多任務(wù)執(zhí)行而生的。既然操作系統(tǒng)這么神奇，可不可以讓單片機(jī)也來爽一把呢？答案是肯定的。下面就介紹如何給單片機(jī)寫個(gè)操作系統(tǒng)！！

　

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工欲善其事，必先利其器，為了寫出操作系統(tǒng)，必須得有一定的理論以及技術(shù)基礎(chǔ)，
單片機(jī)方面的可以http://www.zg4o1577.cn 了解到，從下面是所需的材料：

//1   C語言編程基礎(chǔ)        ：三斤

//2   數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論           ：一斤八兩

//3   操作系統(tǒng)原理           ：兩斤三兩八錢

//4   計(jì)算機(jī)組成原理以及單片機(jī)原理及應(yīng)用  ：兩斤半

//5   匯編語言編程基礎(chǔ)    ：一斤四兩

//6   一份堅(jiān)持的心            ：多少斤自己掂量掂量，呵呵

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這么多怎么學(xué)？去哪學(xué)？下面是我個(gè)人推薦的書單，僅供參考：

　

1. C語言是必須要會(huì)的，而且要熟練，諸如”預(yù)編譯命令“你必須要懂，模塊化編程必須要熟悉，指針是C語言的一大精髓，在操作系統(tǒng)源碼里面指針是滿天飛的，所以得有足夠的理論基礎(chǔ)，推薦國外的《C Primer Plus》 美國 Stephen Prata著，里面講的內(nèi)容由淺到深，語言引人入勝，大二開始看，現(xiàn)在還時(shí)不時(shí)地要回頭看，確實(shí)是一本不錯(cuò)的好書：

 

 

另外，學(xué)會(huì)了C的基本語法之后你還得要會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)編程技巧以及編程要注意的問題之類的，推薦有空的話多看看《C專家編程》和《C陷阱與缺陷》，這兩本書是C編程領(lǐng)域里面的經(jīng)典之作，相信看完你的功力會(huì)大有長進(jìn)，但是還是要以經(jīng)常敲代碼為主：

 

 

 

2. 操作系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)組織形式都是以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論為基礎(chǔ)的，所以你得懂得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)才能看懂里面的含義，但也不要求把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全精通，推薦嚴(yán)蔚敏版本的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》，不過里面的算法都是用偽代碼寫出來的：

 

 

3. 有了編程基礎(chǔ)之后你還必須要懂得操作系統(tǒng)的基本原理，比如任務(wù)之間是怎么切換的，內(nèi)存是怎么管理的都得懂，推薦《操作系統(tǒng)-精髓與設(shè)計(jì)原理》

　

 

 

4. 匯編語言。為什么要學(xué)匯編？可能有些人會(huì)學(xué)得匯編難理解，而且現(xiàn)在C語言已經(jīng)可以很方便地編程了，所以不想學(xué)匯編，其實(shí)C語言再怎么方便強(qiáng)大，最后還是要通過編譯器轉(zhuǎn)換為匯編語言再由匯編轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，才能在機(jī)器中執(zhí)行。可以說，掌握了匯編之后你一定會(huì)對(duì)”代碼是怎么在CPU里面執(zhí)行的“這個(gè)哲學(xué)命題有進(jìn)一步的了解。另外，不學(xué)匯編你還真寫不出一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核來，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的最低層是要直接操作CPU寄存器的，C語言無法實(shí)現(xiàn)，只能用匯編寫出來，再由上層的C語言調(diào)用。匯編的書很多，這里就不介紹了，找一本去狂敲上個(gè)把星期就大概掌握了。

　

　

5. 另外你還要懂得計(jì)算機(jī)原理以及單片機(jī)，其實(shí)單片機(jī)就是一臺(tái)閹割版的計(jì)算機(jī)，你得對(duì)CPU寄存器，數(shù)據(jù)總線，地址總線，以及執(zhí)行方式這些有一定的了解才行，這方面的書也挺多的，不過介紹兩本個(gè)人覺得寫得挺好的書供課外閑讀，《編程卓越之道》1、2卷，這本書大體上介紹了高級(jí)語言是怎么樣在CPU里面執(zhí)行的，另外也對(duì)CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了一些介紹，比那些課內(nèi)教材寫得好，有空可以去看一下。

　

 

 

 

　

　

最后介紹一本《嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)UCOS II》，這本書介紹了UCOS II這個(gè)操作系統(tǒng)的內(nèi)部源代碼以及實(shí)現(xiàn)原理，我就是從這本書中學(xué)到了怎樣寫一個(gè)可以用的操作系統(tǒng)內(nèi)核。

 

 

書單推薦完畢，下面進(jìn)入重點(diǎn)~~~~~~~~~~~~~~~~~

　

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什么是操作系統(tǒng)？其實(shí)就是一個(gè)程序， 這個(gè)程序可以控制計(jì)算機(jī)的所有資源，對(duì)資源進(jìn)行分配，包括CPU時(shí)間，內(nèi)存，IO端口等，按一定規(guī)則分配給所需要的進(jìn)程（進(jìn)程？也就是一個(gè)程序，可以單獨(dú)執(zhí)行），并且自動(dòng)控制讓CPU可以執(zhí)行多個(gè)互不相關(guān)的任務(wù)，按照書中的介紹，一個(gè)操作系統(tǒng)需要具備四個(gè)要素：進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、IO管理、文件管理。

　

那怎么樣可以讓CPU同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)呢？首先想象一下如果讓CPU執(zhí)行單道程序，它會(huì)從MAIN函數(shù)開始一直順序地執(zhí)行下去，CPU里面有一個(gè)叫PC的寄存器，也就是程序計(jì)數(shù)器，它永遠(yuǎn)指向下一條要執(zhí)行的指令的存放地址，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下指令都是逐條執(zhí)行的，所以PC寄存器也只是簡單地加一，所以大家都叫它”程序計(jì)數(shù)器“，從PC寄存器的特點(diǎn)也許我們可以做點(diǎn)文章？比如人為地讓PC寄存器指到另外一段程序的入口地址，那CPU不就自動(dòng)地跑到另一段程序了么？哈哈。假如我們可以這樣做，那沒錯(cuò)，CPU確定是跑到別人的領(lǐng)地去執(zhí)行代碼了，問題是：怎么樣讓它回來繼續(xù)執(zhí)行？換句話說，PC寄存器改變之后CPU 已經(jīng)不知道剛剛這段程序執(zhí)行到哪里了，亦即跑不回來了，就像斷了線的風(fēng)箏。呃。。這問題麻煩。。解決了這個(gè)問題就似乎有點(diǎn)苗頭了。。

　

好吧，我們來看看有一個(gè)很相似的問題，就是單片機(jī)在執(zhí)行代碼的時(shí)候，突然有一個(gè)中斷信號(hào)過來了，單片機(jī)馬上就屁顛屁顛地跑到中斷服務(wù)程序里面去執(zhí)行了，執(zhí)行完畢之后，奇怪！！它怎么還記得跑回來原來的地方！！？？OH NO .它是怎么辦到的。其實(shí)這里還要介紹另外一個(gè)寄存器叫SP的，即：STACK POINTER堆棧指針，這個(gè)指針指向一個(gè)內(nèi)存的地址，里面存放了一些數(shù)據(jù)。首先，單片機(jī)遇到中斷信號(hào)的時(shí)候，它就把當(dāng)前的PC寄存器的值保存到SP所指的地址，這就相當(dāng)于它記住了當(dāng)前執(zhí)行的地方，叫做斷點(diǎn)保護(hù)，然后PC寄存器就指向中斷服務(wù)程序的地址，下一個(gè)時(shí)刻CPU就自動(dòng)執(zhí)行中斷服務(wù)程序里面的代碼了，執(zhí)行完畢之后中斷服務(wù)程序調(diào)用了一個(gè)指令：RETI，這條指令叫返回指令，在函數(shù)結(jié)束之后調(diào)用，它會(huì)自動(dòng)從SP指針指向的地址把值取出來放到PC寄存器里面，然后CPU就會(huì)自動(dòng)回到之前斷掉的地方繼續(xù)執(zhí)行了！基于這個(gè)原理，我們可以回到上面的問題：首先，讓CPU把當(dāng)前的PC保存起來，然后把PC指向別段程序地址，CPU就跑到別人的領(lǐng)地去執(zhí)行了，執(zhí)行完了之后我們可以把SP指向的內(nèi)容放回PC，這樣調(diào)用RET指令之后，CPU就會(huì)回到原來的地方繼續(xù)執(zhí)行了！！貌似這個(gè)問題完美地解決了！！

　

可是還有一個(gè)關(guān)鍵的問題：CPU在執(zhí)行當(dāng)前代碼的時(shí)候 CPU里面所有的寄存器都保存的當(dāng)前這個(gè)程序所用到的值，比如做加法的時(shí)候用到PSW寄存器的進(jìn)位標(biāo)志位，如果此時(shí)切換到別的任務(wù)，那再回到當(dāng)前程序的時(shí)候，這些值都會(huì)被改變，CPU會(huì)陷入混亂然后直接跑飛！！解決這問題同樣要靠SP同學(xué)，在切換任務(wù)的時(shí)候我們把所有寄存器依次入到SP指向的地址，稱為入棧操作，每次入棧SP指針的值都會(huì)加一或者減一，視不同CPU而定。而要恢復(fù)的時(shí)候，就從SP指向的地址依次把值取出來放回原來的地方，稱為彈棧操作。最后才彈出地址到PC寄存器，下一時(shí)刻，CPU自動(dòng)跑到原來的地址繼續(xù)執(zhí)行，從CPU的角度看就像沒有發(fā)生任務(wù)切換一樣，一切依舊，繼續(xù)工作。如果CPU的執(zhí)行速度夠快，切換速度也夠快，這樣就可以給人感覺CPU同時(shí)在執(zhí)行很多任務(wù)，這就是操作系統(tǒng)里面最基本的原理。

　

SO，解釋完原理，我們首先來就來實(shí)現(xiàn)簡單的任務(wù)切換，這里的難點(diǎn)就在于：執(zhí)行這一動(dòng)作必須要操作CPU的寄存器，而C語言是無法實(shí)現(xiàn)的，這就是為什么要用到匯編的原因了，所有操作系統(tǒng)的最底層代碼都是用匯編語言實(shí)現(xiàn)的，否則根本無法實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。下面要介紹匯編里面的幾條相關(guān)指令。PS:雖然每種CPU的匯編都不同，但是基本原理還是相通的。

第一條：CALL。函數(shù)調(diào)用指令，當(dāng)我們要調(diào)用一個(gè)函數(shù)的時(shí)候，就會(huì)用到CALL這條指令，它執(zhí)行再從個(gè)動(dòng)作，第一，先把當(dāng)前的PC值保存起來，即現(xiàn)場保護(hù)，第二，把要調(diào)用的函數(shù)的入口地址送到PC，這樣，在下一時(shí)刻到來的時(shí)候，CPU就自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到特定的函數(shù)入口地址開始執(zhí)行了。

第二條：RET/RETI。當(dāng)一個(gè)函數(shù)執(zhí)行完畢的時(shí)候，需要返回到原來執(zhí)行的地方，這時(shí)候就要調(diào)用 RET指令（在中斷函數(shù)中返回的時(shí)候調(diào)用RETI指令）。它把SP指向的數(shù)據(jù)，即上一次調(diào)用CALL時(shí)保存的那個(gè)地址原來到PC，這樣，當(dāng)下一時(shí)刻到來的時(shí)候，CPU就會(huì)跳回到原來的地方了。實(shí)際上函數(shù)調(diào)用過程就是這樣的，所以有時(shí)候一些簡單簡短的函數(shù)寧愿用#define宏定義寫出來，因?yàn)檫@樣寫出來就不用使用調(diào)用/返回過程，節(jié)省了時(shí)間。

第三/四條：PUSH/POP。這兩個(gè)指令是兩兄弟，即入棧及出棧。關(guān)于堆棧的特性說明一下：堆棧這種結(jié)構(gòu)的特性就是后進(jìn)先出，就像疊盤子一樣，最后疊上去的盤子會(huì)被最先取出，這種原理非常好用，想象一下函數(shù)嵌套的時(shí)候發(fā)生的一切，就是利用到這種思路。PUSH指令用到把寄存器的值保存起來，它會(huì)把值到保存到SP指針?biāo)�指的地方。POP指令則把數(shù)據(jù)從SP所指的地址恢復(fù)到原來的寄存器中。

　

用這幾條指令，我們就可以寫出一個(gè)任務(wù)切換函數(shù)了，不過寫之前還要說明一下什么叫人工堆棧。其實(shí)上，一個(gè)程序在執(zhí)行的時(shí)候，它會(huì)用到一塊內(nèi)存空間用于保存各種變量，比如調(diào)用函數(shù)的時(shí)候這塊地方會(huì)用于保存地址以及寄存器，而在執(zhí)行一些復(fù)雜算法的時(shí)候，如果CPU的寄存器已經(jīng)用完了，這塊地方也會(huì)作為臨時(shí)中間變量的存放區(qū)，另外，在向一個(gè)函數(shù)傳遞參數(shù)的時(shí)候，比如:printf(a,b,c,d,e....)，如果參數(shù)過多，多余的參數(shù)也會(huì)先存放到這塊地方。所以說，這塊地方就像是這個(gè)程序的倉庫一樣，存放著要用的東西。如果是在單道程序中，顯然這樣用沒問題，但是如果是多道程序的話，問題就來了，因?yàn)槿绻�所有任�?wù)共用那塊區(qū)域，那舊任務(wù)保存的東西就會(huì)被新任務(wù)所沖掉，CPU一下子就瘋掉了。。解決的辦法就是：每個(gè)任務(wù)都給它提供一塊專用的區(qū)域，這塊專用區(qū)域就叫人工堆棧，每個(gè)任務(wù)都不一樣，保證了不會(huì)相互沖突。

　

PS：因?yàn)?1單片機(jī)的內(nèi)存太小，基本無法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了也不實(shí)用，所以硬件平臺(tái)我選用了AVR單片機(jī)ATMEGA16，有1KB內(nèi)存，應(yīng)該夠用了，花了兩天時(shí)間把AVR的匯編指令看了一遍

 

 

首先，當(dāng)需要切換任務(wù)的時(shí)候，要先把當(dāng)前的所有寄存器全部入棧，在AVR單片機(jī)中有32個(gè)通用寄存器R0-R31，還有PC指針，PSW程序狀態(tài)寄存器，這些都要入棧，所以需要的內(nèi)存挺多的。現(xiàn)在的編譯器都支持在線匯編，就是在C語言里面嵌入?yún)R編語言，方便得多，下面我宏定義了一組入棧操作：PUSH_REG()，里面是用PUSH指令把32個(gè)寄存器全部入棧

入完棧完接下來要保護(hù)當(dāng)前程序的SP指針，以便下次它要返回的時(shí)候能找到該人工堆棧的地址：

OS_LastThread->ThreadStackTop=(OS_DataType_ThreadStack *)SP;
　

這一句用C語言就可以實(shí)現(xiàn)了。

接下來關(guān)于當(dāng)前這段程序的現(xiàn)場算是保護(hù)好了，然后找到要切換到的任務(wù)的人工堆棧地址，把它賦給SP指針，如下：

SP=(uint16_t)OS_CurrentThread->ThreadStackTop;
　

出棧跟入棧的語法差不多，只是出棧順序要相反：

_asm("RET\n\t");
　

調(diào)用返回指令，它就從SP里面取出函數(shù)地址放到PC，注意他取出的是剛剛放入SP指向地址的函數(shù)入口，所以它會(huì)返回到新任務(wù)執(zhí)行。

就這樣，一個(gè)操作系統(tǒng)里面最核心的”任務(wù)調(diào)度器“的模型就這樣簡單地實(shí)現(xiàn)了，操作系統(tǒng)里面所作的跟任務(wù)切換有關(guān)的事情到最后都要調(diào)用到這個(gè)任務(wù)調(diào)度器，現(xiàn)在我們實(shí)現(xiàn)調(diào)度器了，相當(dāng)于成功了1/3，接下來的事情就是考慮在什么情況下調(diào)用這個(gè)調(diào)度器。

　

調(diào)度策略：實(shí)現(xiàn)了調(diào)度，還要繼續(xù)考慮調(diào)度策略，就是什么情況下需要調(diào)度哪些任務(wù)。調(diào)度策略分很多種，有興趣的可以去看那本《操作系統(tǒng)原理》，在我的源代碼里面使用了”搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度+同一優(yōu)先級(jí)下時(shí)間片輪詢調(diào)度“的方法。

所謂搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度是一種實(shí)時(shí)調(diào)度的方法，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中常用，這種方法的原理就是：操作系統(tǒng)在任何時(shí)候都要保證擁有最高優(yōu)先級(jí)的那個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)，比如此記在運(yùn)行著優(yōu)先級(jí)為2的任務(wù)，因?yàn)橐恍┬盘?hào)到達(dá)，優(yōu)先級(jí)為1的那個(gè)任務(wù)解除了阻塞，處于就緒態(tài)，這時(shí)操作系統(tǒng)就必須馬上停止任務(wù)2，切換到任務(wù)1，切換的這段時(shí)間需要越短越好。

而時(shí)間片輪詢即是讓每個(gè)任務(wù)都處于平等地位，然后給每個(gè)任務(wù)相同的時(shí)間片，當(dāng)一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間用完了，操作系統(tǒng)就馬上切換給下一個(gè)需要執(zhí)行的任務(wù)，這種方法的實(shí)時(shí)性不高，但它確保了每個(gè)任務(wù)都有相同的執(zhí)行時(shí)間。

我把這兩種方法結(jié)合起來，首先設(shè)定了8個(gè)優(yōu)先級(jí)組，每個(gè)優(yōu)先級(jí)組下面都用單向鏈表把具有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)連接起來。這樣的話首先操作系統(tǒng)會(huì)查找最高優(yōu)先級(jí)的那組，然后在組里面輪流執(zhí)行所有任務(wù)（和UCOS II相比這種做法更具有靈活性，因?yàn)閁COS II只有搶占式調(diào)度，這是UCOS II的硬傷。。）。我聲明了一個(gè)任務(wù)結(jié)構(gòu)體稱為線程控制塊，把關(guān)于該任務(wù)的所有狀態(tài)都放在一起：