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。
代码语言：javascript复制;/*********************** (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：
代码语言：javascript复制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。
代码语言：javascript复制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：
代码语言：javascript复制/*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。
代码语言：javascript复制/*
*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 。
代码语言：javascript复制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)
代码语言：javascript复制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
