時間如沖沖流水，一轉(zhuǎn)眼間都畢業(yè)快一年了。這一年里忙忙碌碌，卻又碌碌無為。有時又總想，生亦何苦，死亦何哀。

 

也好久沒更新博文了，之前做了個STM8的脫機(jī)編程器，使用了EMWIN，學(xué)習(xí)到了人家的消息機(jī)制。覺得自己編程在無法移植系統(tǒng)的情況下能不能自己設(shè)計個模塊呢？就有了標(biāo)題中的思想。

 

以下是我在論壇上發(fā)的。

 

 

    今天我也來個湊熱鬧講講操作系統(tǒng)，理論嘛，人人都懂，所以不講了。

          首先想問大家，平時在8位機(jī)上會用到操作系統(tǒng)嗎？還是一直都是裸奔？當(dāng)然了我一直都是在祼奔。
  背景：
          為什么要裝B還說要設(shè)計個OS，這么簡單還不人人都去設(shè)計。事實(shí)也的確如此，難。不知道各位有沒有遇到這樣的情況：

        給公司寫軟件的時候，其核心內(nèi)容設(shè)計好后公司總會有一些需要特別功能的產(chǎn)品，但仍基于設(shè)計好的核心，因此需要將此COPY兩份，在其中一份中增加功能。如果公司這樣的產(chǎn)品較多，那么你的文件夾中出現(xiàn)各種復(fù)件，如果核心軟件優(yōu)化了將對所有文件全部一一優(yōu)化。自然有人說可以有預(yù)處理指令來增加功能模塊，但這樣的代碼還是難于維護(hù)。。

重點(diǎn)來了，當(dāng)軟件初步完成后，維護(hù)時往往并沒有設(shè)計時的激情，一是并沒有設(shè)計時的思路，二總想換個思路重新寫，或者壓根就不想再碰！我是這樣的，你呢？

因此我一直在找基于8位機(jī)的RTOS。

        再后來我使用了EMWIN設(shè)計了一個產(chǎn)品，它的消息機(jī)制真的很棒，我就想能不能通過消息來驅(qū)動任務(wù)。emwin的消息是針對窗口對象的。我只要將各個任務(wù)看作對象不也應(yīng)該可以設(shè)計么？針對這樣的想法就開始了設(shè)計之路。

===============================================================

____:  初步想法：
        給每個任務(wù)建立一個消息池，任務(wù)等待消息，等到消息后執(zhí)行該任務(wù)。消息由其它任務(wù)或中斷中給出。

____:  又來了想法：
        如果同時有任務(wù)等到消息到底誰先運(yùn)行，所以在任務(wù)中建立優(yōu)先級，以使同時等到消息的任務(wù)中優(yōu)先級高的得到CPU的使用權(quán)？
        那么這樣就得有一個調(diào)度器，在任務(wù)間進(jìn)行切換。
        為此我給每個函數(shù)統(tǒng)一名稱叫消息進(jìn)程，以MP_xxx開頭。

        即然用到優(yōu)先級就會想到ucos中優(yōu)先級查找機(jī)制，翻開ucos的書，其中一段讓我的想法步入了正軌——不可剝奪型內(nèi)核。

____:    什么是非搶占式優(yōu)先級調(diào)度操作系統(tǒng)也叫不可剝奪型內(nèi)核(來自ucosii ……)

        不可剝奪型內(nèi)核要求每個任務(wù)自我放棄 CPU 的所有權(quán)。不可剝奪型調(diào)度法也稱作合作型多任務(wù)，各個任務(wù)彼此合作共享一個 CPU。異步事件還是由中斷服務(wù)來處理。中斷服務(wù)可以使一個高優(yōu)先級的任務(wù)由掛起狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。但中斷服務(wù)以后控制權(quán)還是回到原來被中斷了的那個任務(wù)， 直到該任務(wù)主動放棄 CPU 的使用權(quán)時，那個高優(yōu)先級的任務(wù)才能獲得 CPU的使用權(quán)。
        不可剝奪型內(nèi)核的一個優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)中斷快。在討論中斷響應(yīng)時會進(jìn)一步涉及這個問題。在任務(wù)級，不可剝奪型內(nèi)核允許使用不可重入函數(shù)。 函數(shù)的可重入性以后會討論。每個任務(wù)都可以調(diào)用非可重入性函數(shù)，而不必?fù)?dān)心其它任務(wù)可能正在使用該函數(shù)， 從而造成數(shù)據(jù)的破壞。 因為每個任務(wù)要運(yùn)行到完成時才釋放 CPU 的控制權(quán)。 當(dāng)然該不可重入型函數(shù)本身不得有放棄 CPU 控制權(quán)的企圖。使用不可剝奪型內(nèi)核時，任務(wù)級響應(yīng)時間比前后臺系統(tǒng)快得多。 此時的任務(wù)級響應(yīng)時間取決于最長的任務(wù)執(zhí)行時間。
(省略部分請參閱ucos系統(tǒng)概念部分)

        好吧，我臉皮子就厚了，將MP_XXX命名修改成OS_XXX,畢竟這也叫操作系統(tǒng)嘛。重新整理了思緒如下：


整個設(shè)計為了節(jié)約內(nèi)存，畢竟不是實(shí)時系統(tǒng)要求的不是響應(yīng)速度。        
        1、既然是非搶占式OS，那么每個任務(wù)必須執(zhí)行完后才會交出CPU的使用權(quán)。所以任務(wù)不應(yīng)該是超級循環(huán)，并盡量控制任務(wù)執(zhí)行時間。

        2、任務(wù)有就緒態(tài)、掛起態(tài)，運(yùn)行態(tài)。

        3、每一個任務(wù)需要等待被執(zhí)行的消息，可以接收多個消息，消息間可使用邏輯運(yùn)算and or進(jìn)行操作。并給每個任務(wù)分配消息等待超時時長。任務(wù)在規(guī)定時間內(nèi)未等到消息也將進(jìn)入就緒狀態(tài)。如果建立任務(wù)時即未給出等待消息也未給出超時時長則任務(wù)立即進(jìn)入就緒狀態(tài)，否則進(jìn)入掛起態(tài)。

        4、任務(wù)的調(diào)度由任務(wù)查找就緒表中最高優(yōu)先級的任務(wù)并執(zhí)行任務(wù)，等待該任務(wù)執(zhí)行完后再重新調(diào)用調(diào)度器查找更高優(yōu)先級的任務(wù)。

        5、需要在一個定時器刷新每個任務(wù)超時時間。并且就緒已超時的高優(yōu)先級的任務(wù)。當(dāng)然中斷返回后返回到被中斷的任務(wù)，在該任務(wù)結(jié)束后才會執(zhí)行更高優(yōu)先級任務(wù)。

 

即然發(fā)這個貼了自然是實(shí)現(xiàn)了，并不是連載，而是分開寫有層次感，看得不會累。系統(tǒng)的命名仿照UCOS，讓人不會那么陌生。

設(shè)計好的內(nèi)核有如下功能：
1、支持最多16個任務(wù)，并且支持多少個任務(wù)就支持多少個優(yōu)先級。如果系統(tǒng)中規(guī)定只有5個任務(wù)，那么只有0-4的優(yōu)先級，因為未使用鏈表，使用數(shù)組，由優(yōu)先級作為索引(只考慮節(jié)約內(nèi)存)。

2、系統(tǒng)在初始化時建立一個空閑任務(wù)，優(yōu)先級最低，并且一直處于就緒態(tài)，不得刪除，不然會出現(xiàn)沒有就緒任務(wù)時調(diào)試器會調(diào)用優(yōu)先級為0的任務(wù)，不管該任務(wù)是否存在。后果無法預(yù)測。

3、系統(tǒng)可使能統(tǒng)計任務(wù)，優(yōu)先級次低，用戶可設(shè)定調(diào)用周期，如果使用統(tǒng)計函數(shù)，系統(tǒng)在初始化時會阻塞周期時長用于統(tǒng)計規(guī)定時間內(nèi)總空閑計數(shù)值。cpu使用率=1-本次采樣空閑計數(shù)器/周期內(nèi)總計數(shù)值(阻塞時獲得)


6、初次設(shè)計，沒有給任務(wù)分配參數(shù)。也沒有修改優(yōu)先級，有刪除任務(wù)，但請不要在中斷中使用(如果刪除被中斷的任務(wù)，中斷返回后將執(zhí)行一個不存在的任務(wù))。
即使是非搶占式操作系統(tǒng)也需要考慮重入問題，本文使用臨界來解決。
(待補(bǔ)充)


系統(tǒng)性能：
        測試條件51單片機(jī)12MHZ仿真
        如果在任務(wù)建立時就計算好就緒任務(wù)的位置則任務(wù)切換時間為固定時長48us。為了節(jié)約內(nèi)存并未計算好這些值，所以切換任務(wù)時長為52us。
        更多測試請看下面更新。



思想大概就是這樣，接下來就是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
========================================================================================
先看數(shù)據(jù)組成：
typedef struct
{
  void                 (*Task)(void);                         //任務(wù)
  OS_MSG         OSTCBMsg;                        //任務(wù)所需要的消息  8位
  OS_MSG         OSTCBRecMsg;                        //任務(wù)接收到的消息
  int                 OSTCBOverTime;                        //任務(wù)超時時長
  int                 OSTCBCopyOverTime;                //備份超時時長，或者叫影子
  u8                  OSTCBLogicl;                        //接收到的消息邏輯操作   and  or
  u8                  OSTCBPrio;                        //任務(wù)優(yōu)先級
}OS_TCB;
任務(wù)控制塊，為了節(jié)約內(nèi)存未使用鏈表，結(jié)合之前描述的消息使任務(wù)就續(xù)再看一下各個數(shù)據(jù)的注釋大體能明白它們在做什么。



OS_TCB                         OSTCBTbl [OS_TASK_NUM];        //申請任務(wù)控制塊
u8                          OSPrioTbl[OS_TASK_NUM];        //任務(wù)注冊池，為0/1分別代碼任務(wù)不存在和存在，刪除任務(wù)只是將該任務(wù)注冊池置0而已

========================================================================================

任務(wù)是如何建立的？初始化任務(wù)的各個參數(shù)，并將任務(wù)地址傳到內(nèi)核，由內(nèi)核管理。
這里要注意的是哪些地方要進(jìn)入臨界，為什么？在注釋中也寫出了，
當(dāng)然也有可能有些未考慮到的。大家注重思想就好。

暫時沒有實(shí)現(xiàn)給任務(wù)傳遞參數(shù)，和任務(wù)這間的通信，但不難實(shí)現(xiàn)，就好像教科書上給出馬的框框就可以讓同學(xué)畫徐悲鴻的馬了。。。。
========================================================================================

OS_STA OS_CreateTask(void(*Task)(void),OS_MSG OSTCBMsg,char OSTCBLogicl,int OverTime,u8 OSTCBPrio)
{
        u8 OS_ITSTATUS;
        OS_TCB *PTcb=&OSTCBTbl[OSTCBPrio];                        //使用指針，節(jié)省建立時間
        
        OS_ENTER_CRITICAL();                                                  //防止在任務(wù)在中斷中刪除了此任務(wù)(想實(shí)現(xiàn)中斷中不可刪除任務(wù)）
        if((OSPrioTbl[OSTCBPrio]==1)||(OSTCBPrio>=OS_TASK_NUM))
        {   
                OS_EXIT_CRITICAL();
                return OS_PRIO_INVALID;                                          //該優(yōu)先級被注冊過,或者超過了任務(wù)數(shù)
        }
        
        OSPrioTbl[OSTCBPrio]                        =        1;                         //注冊任務(wù),進(jìn)入臨界，以防止被中斷函數(shù)注冊                                                        
        PTcb->OSTCBMsg                        =        OSTCBMsg;                //需要接收到的消息
        PTcb->OSTCBRecMsg                        =        0;                        //接收的消息
        PTcb->OSTCBLogicl                        =        OSTCBLogicl;        //接收消息方式
        PTcb->OSTCBOverTime                =        OverTime;                //超時時間
        PTcb->OSTCBCopyOverTime                =        OverTime;                //備份超時時間

        OS_EXIT_CRITICAL();                                                          //以上參數(shù)在其它函數(shù)中都可能被修改，所以需要關(guān)中斷嘍                                

        PTcb->Task                                =        Task;                        //用戶任務(wù)
        PTcb->OSTCBPrio                        =        OSTCBPrio;                //任務(wù)優(yōu)先級

        if((PTcb->OSTCBMsg==0)&&(PTcb->OSTCBOverTime)==0)OS_TaskRdy(OSTCBPrio);        //沒有要等待的事件或者時間則任務(wù)立即進(jìn)入就緒態(tài)
        
        return OS_OK;
}

注釋詳盡(有嗎？)，具體細(xì)節(jié)請下載代碼查看。




========================================================================================
既然稱這個為系統(tǒng)，那么任務(wù)的調(diào)度自然是少不了，給它響亮的名字叫調(diào)度器，但這個函數(shù)叫任務(wù)切換。再給它包個皮就叫調(diào)度器了。
========================================================================================
OS_STA OS_TaskSw(void)
{
        u8 OSTCBPrio,y;
        u8 OS_ITSTATUS;
        y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
        OSTCBPrio=(y<<2)+OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];        //沒有任務(wù)時返回0，0是最高優(yōu)先級,使用同ucos，只是優(yōu)先級只有16個，節(jié)約內(nèi)存
        OS_ENTER_CRITICAL();                                        //進(jìn)入臨界防止剛判斷任務(wù)存在就在中斷函數(shù)中被刪除
          if((OSPrioTbl[OSTCBPrio]==0)||(OSTCBPrio>=OS_TASK_NUM))
        {
                OS_EXIT_CRITICAL();
                return OS_PRIO_INVALID;
        }
        OSPrioSelf=OSTCBPrio;                                //當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)
        OS_EXIT_CRITICAL();
        OSTCBTbl[OSTCBPrio].Task();                //此處調(diào)用任務(wù)是開中斷的，如果此時來了中斷并將該任務(wù)刪除，返回到這里將執(zhí)行被刪除的任務(wù)，
        return OS_OK;                                        //所以在中斷中不能掉用刪除任務(wù)函數(shù)
}
需要注意OSTCBTbl[OSTCBPrio].Task();調(diào)用任務(wù)后的中斷是打開的，當(dāng)運(yùn)行該任務(wù)時進(jìn)入中斷，在中斷中掛起該任務(wù)，或者刪除該任務(wù)，那么中斷返回后應(yīng)該去哪？所以在中斷中不允許使用掛起和刪除函數(shù)，但未在軟件加入限制，也會在今后修改

========================================================================================
不管哪個系統(tǒng)都需要用戶編寫部分代碼。而非搶占式的不需要用戶修改寄存器SP PC LR等。但任務(wù)是需要心跳的，這部分是和硬件有關(guān)的，不同的處理器自然也不一樣。
這里是在51中結(jié)合protues仿真的，定時中斷為1ms1次，具體多少可以在OS_CONFIG.h中進(jìn)行設(shè)計每秒鐘的中斷次數(shù)。
========================================================================================

定時器的初始化函數(shù)則由用戶編寫。根據(jù)不同的MCU代碼自然是不一樣的。51如下：
void Timer_Init(void)
{
        u16 TimerValue;
        TimerValue=0xffff-1000000/OS_TICK_PRE_SEC;                         //使用定時方式1，最大時長65ms。所以用戶情況設(shè)置此值，在.h文件中
        th=TimerValue>>8;
        tl=TimerValue;
        TMOD=0x01;
        TH0=th;
        TL0=tl;
        ET0=1;
        TR0=1;
        EA=1;
}

OS_TICK_PRE_SEC 留給用戶設(shè)置的，即每秒應(yīng)該中斷的次數(shù)


void Timer_Exception(void) interrupt 1
{        
        TR0=0;
        TH0=th;
        TL0=tl;
        OS_TimeMsgPost();                                        //刷新每個任務(wù)的超時時長，遞減的方式，并且就緒高優(yōu)先級任務(wù)
        TR0=1;
}

void OS_TimeMsgPost(void)
{
        u8 i;
        u8 OS_ITSTATUS;
        OS_TCB *Ptr=OSTCBTbl;                                //用指針可加快速度
        for(i=0;i
        {
                OS_ENTER_CRITICAL();
                if(Ptr->OSTCBOverTime>0)                        //超時值大于0時刷新變量
                {
                        Ptr->OSTCBOverTime--;                  //防止其它任務(wù)將此值變成0后減成0xFF
                        OS_EXIT_CRITICAL();
                        if(Ptr->OSTCBOverTime==0)
                        {
                                OS_TaskRdy(i);                        //超時時間到，就緒對應(yīng)任務(wù)        
                        }
                }
                OS_EXIT_CRITICAL();
                Ptr++;                                                   //刷新到下一個任務(wù)的超時標(biāo)志
        }        
}

 

 

主要提高自己的編程樂趣。 ======================================================================================== 以下列出函數(shù)，具體細(xì)節(jié)請查看源代碼： extern OS_STA         OS_CreateTask(void(*Task)(void),OS_MSG OSTCBMsg,char OSTCBLogicl,int OverTime,u8 OSTCBPrio);//任務(wù)建立 extern OS_STA         OS_DeleteTask(u8 OSTCBPrio);                        //刪除任務(wù) extern void         OS_ResumeTime(u8 OSTCBPrio);                        //重新將恢復(fù)任務(wù)超時時長 extern OS_STA         OS_TaskRdy(u8 OSTCBPrio)reentrant;                //將任務(wù)就緒，不可重入，不同的編譯器可能處理不一樣 extern OS_MSG         OS_MsgGet(u8 OSTCBPrio,OS_STA *err);        //獲取指定任務(wù)消息 extern OS_STA         OS_MsgPost(u8 OSTCBPrio,OS_MSG OSMsg);        //發(fā)送消息給指定任務(wù)，并判斷是否需要就緒 extern void         OS_TimeMsgPost(void);                                //刷新超時時長，就緒超時的任務(wù)，由定時器調(diào)用 extern OS_STA         OS_TaskSuspend(u8 OSTCBPrio);                        //掛起任務(wù) extern OS_STA         OS_MsgClear(u8 OSTCBPrio,OS_MSG OSMsg);        //清除指定任務(wù)消息 extern OS_STA         OS_TaskSw(void);                                        //任務(wù)切換 extern OS_STA         OS_TaskSched(void);                                        //任務(wù)調(diào)度 extern void         OS_Start(void);                                                //開始系統(tǒng)運(yùn)行 extern OS_STA         OS_Init(void);                                                //系統(tǒng)初始化，用于建立空閑任務(wù)和統(tǒng)計任務(wù)（可選） extern void         OS_StatInit(void);                                        //統(tǒng)計任務(wù)初始化（需要使能） ======================================================================================== 沒有實(shí)踐就沒有發(fā)言權(quán)：請看例子： sbit LED1=P2^0; sbit LED2=P2^1; sbit LED3=P2^2; #define TASK_PRI_LED1 0                                 //定義任務(wù)的優(yōu)先級 #define TASK_PRI_LED2 1 #define TASK_RPI_LED3 2 void LED1_Task(void)                                                //任務(wù)1就是閃爍LED1，運(yùn)行它的條件由任務(wù)建立時給出，200ms 1次 {         LED1=~LED1;         OS_MsgPost(TASK_PRI_LED3,MBit1);                //給LED3發(fā)送消息0x01         OS_TaskSuspend(OSPrioSelf);                        //將自身掛起 } void LED2_Task(void)                                                //任務(wù)2就是閃爍LED2，運(yùn)行它的條件由任務(wù)建立時給出，200ms 1次 {         LED2=~LED2;         OS_MsgPost(TASK_PRI_LED3,MBit2);                //給LED3發(fā)送消息0x02         OS_TaskSuspend(OSPrioSelf);                        //將自身掛起 } void LED3_Task(void)                                                //任務(wù)3就是閃爍LED3，運(yùn)行它的條件由任務(wù)建立時給出，接收由任務(wù)1和任務(wù)2的消息才被調(diào)用 {         LED3=~LED3;         OS_TaskSuspend(OSPrioSelf);                        //將自身掛起 } void main(void) {         OS_Init();         Timer_Init();         OS_CreateTask(LED1_Task,         MBitNop,                0,                200,        TASK_PRI_LED1);                         //200ms后進(jìn)入就緒態(tài)                         OS_CreateTask(LED2_Task,         MBitNop,                0,                200,        TASK_PRI_LED2);                         //200ms后進(jìn)入就緒態(tài)                         OS_CreateTask(LED3_Task,        MBit1|MBit2,        OS_AND,                0,                TASK_PRI_LED3);         //等到Mbit1且還要等到Mbit2即0x03。因為是OS_AND與操作         OS_Start(); } 任務(wù)3由任務(wù)1和任務(wù)2一起驅(qū)動，在任務(wù)1或者任務(wù)2中的任一1個OS_MsgPost注釋掉任務(wù)3將不會被執(zhí)行。燈自然也不會閃爍，雖然是三個獨(dú)立任務(wù)，并且不是同時點(diǎn)亮，但確是同步閃爍。 一共運(yùn)行了四個任務(wù)(+空閑任務(wù)）和1個1ms中斷的定時器的代碼量和運(yùn)行效果如下：1.5K左右的ROM空間和84字節(jié)的RAM空間。