DIY:給單片機(jī)寫個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核！

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。

　

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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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)單簡(jiǎn)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)傅牡胤?。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腥蝿?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

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(chǎng)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：

POP_REG();

接下來，要調(diào)用一條很重要的指令了！??！此令一出，CPU就乖乖地切換任務(wù)了！

_asm("RET");
　

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(jiǎn)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。