PK使人进步：OS 多任务调度内核揭秘

只看该作者 · 2011-10-26 22:47

在 mcu 上使用多任务OS 的争论曾经热火朝天，我也偶尔参与了一些探讨，现在还时不时还冒出几个关于 OS 的帖子。我想在这里给大家展示一个精简的调度内核，希望能给有心学习 os 的朋友对多任务有一个基本的认识，虽然，严格地说，这个多任务调度内核算不上真正的 OS。

网上各种多任务os 的源代码很多，但那些代码对于老鸟阅读理解都很费力，更不用说那些初学者。所以一个简洁易懂的代码更有意义，这也是我做这个多任务调度内核的想法。这个多任务调度内核非常简单，仅有几个函数，200行左右的纯 C代码，没有任何汇编程序，在 Turbo C 下运行。本打算在Borland C++ 5 下编写，不料 BC++ 竟然不支持16bit 源代码调试，所以改在 Turbo C 2.0 下编译。大部分学过 C 的人都会TC，而且 TC 短小精悍，不足之处是不支持鼠标。

什么是操作系统:
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F

什么是多任务：
(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9A%E4%BB%BB%E5%8A%A1%E5%A4%84%E7%90%86)
多任务处理是指计算机同时运行多个程序的能力。多任务的一般方法是运行第一个程序的一段代码，保存工作环境；再运行第二个程序的一段代码，保存环境；……恢复第一个程序的工作环境，执行第一个程序的下一段代码……现代的多任务，每个程序的时间分配相对平均。

多任务调度的概念上面说的十分清楚，但是，问题是如何？如何保存工作环境，再运行第二个程序的一段代码。什么机制能够切入到第一个程序中？是中断。对于大多数普通的 cpu, 中断是一个最有效手段来打断一个程序，获取程序的控制权，是实现多任务调度内核中的内核。

8086 DOS/BIOS 中断的介绍：
http://tol.bit.edu.cn/download/b4d300d1-49f3-42e5-9782-203fd518eaa5.pdf

DOS 中的定时中断int 08，大约 55ms 中断一次，其中还调用了int 1C。这里我们不使用int 1C, 而是直接使用 int 08, 为了以后便于更改中断时间。

8086 DOS/BIOS的中断与8051的中断不同，是向量中断，即cpu 从中断向量表中取出中断程序的地址，然后转到中断程序。对于定时中断 08，中断程序的地址存放在0000:0020 （绝对地址 00020）, 通过改写中断向量，可以指向我们自己的中断程序。要改写中断向量，可以直接读写0000:0020，或者使用TC的函数setvect，getvect.

只看该作者 · 2011-10-26 22:50

本帖最后由 highgear 于 2011-10-26 22:53 编辑

首先定义一个寄存器结构

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struct Registers 

{

     unsigned int bp;

     unsigned int di;

     unsigned int si;

     unsigned int ds;

     unsigned int es;

     unsigned int dx;

     unsigned int ex;

     unsigned int bx;

     unsigned int ax;

     unsigned int ip;

     unsigned int cs;

     unsigned int flags;

};

这个寄存器结构是 TC 中断例程进入和退出 push/pop 所用到的寄存器。而下面的这个结构不用多说了。

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struct Task

{

     unsigned int  sp;                断点的栈指针

     unsigned int  ss;                断点的栈段

     unsigned char*     stack;        当前任务的栈区

     int                sleepCounter;  sleep 计数器

     enum TaskState     state;     当前任务的状态

     int                ID;              当前任务的id

};

只看该作者 · 2011-10-26 22:59

本帖最后由 highgear 于 2011-10-26 23:25 编辑

重要的核心函数有下列4个：
CreateTask
RunTasks
Timer_Interrupt
SwitchTask

我分别一一解释，以便大家能理解。

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int CreateTask(int id, TaskCallback task)

{

     struct Registers* r;

     if (taskIndex >= TASK_COUNT || taskIndex < 0)

         return 0;

 

     disable();

     tasks[taskIndex].ID = id;

     tasks[taskIndex].stack = malloc(TASK_STACK_SIZE);

     r = (struct Registers*) (tasks[taskIndex].stack + TASK_STACK_SIZE - sizeof(struct Registers));

 

     tasks[taskIndex].sp = FP_OFF((struct Registers far *) r);

     tasks[taskIndex].ss = FP_SEG((struct Registers far *) r);

     r->cs = FP_SEG(task);

     r->ip = FP_OFF(task);

     r->ds =_DS;

     r->es =_ES;

     r->flags = INTERRUPT_ENABLE;

     tasks[taskIndex].state = READY;

     taskIndex++;

     enable();

     return 1;

}

这个函数分配一段内存作为当前任务的stack, 由于8086 stack 自顶向下，所以任务寄存器环境指针 r 指向顶部。要被执行的任务地址task 放入 CS:IP 中，以后会由 iret 指令(中断返回) 弹出，去运行 task。

只看该作者 · 2011-10-26 23:04

本帖最后由 highgear 于 2011-10-26 23:35 编辑

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void interrupt RunTasks() 

{

         disable(); 禁止中断

         taskIndex = 0;

         old_TimerInterrupt = getvect(TIMER_INTERRUPT_NUMBER);保存旧的中断向量

         setvect(TIMER_INTERRUPT_NUMBER, Timer_Interrupt);更改中断向量

         mainTask_ss = _SS; 保存主程序的堆栈。     

         mainTask_sp = _SP;

         _SS = tasks[taskIndex].ss; 把任务栈设为 SS:SP 

         _SP = tasks[taskIndex].sp;

         enable(); 允许中断

}

注意这个函数使用了
interrupt，表明这个函数是中断例程，但RunTasks通过普通调用而不是通过中断来执行。记得上面的CS:IP 中的内容么？是任务指针。使用了 interrupt 这个关键字后， RunTasks 将会pop 从bp 到 ax 的寄存器，最后由 iret 弹出栈中的断点地址（现在已经是 task 的地址了）和状态寄存器，返回到断点处。

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void interrupt Timer_Interrupt()

{

         (* old_TimerInterrupt)(); 执行原来的中断程序     

         if (mainTaskRunning) { 判断中断断点的来源

                   mainTask_ss = _SS; 断点来自主程序

                   mainTask_sp = _SP;

         }

         else {

                   tasks[taskIndex].ss = _SS; 断点来自任务

                   tasks[taskIndex].sp = _SP;

                   if (tasks[taskIndex].state == RUNNING)

                            tasks[taskIndex].state = READY;

         }

         CheckSleepCounter(); 处理进入 sleep 状态任务的计数器



         if (FindNextTask() < 0) { 查找下一个就绪态的任务

                   mainTaskRunning = 1; 没有就绪的任务，则返回到主任务

                   _SS = mainTask_ss; 恢复主任务环境

                   _SP = mainTask_sp;

         }

         else {

                   mainTaskRunning = 0;  

                   _SS = tasks[taskIndex].ss; 恢复任务环境

                   _SP = tasks[taskIndex].sp;

                   tasks[taskIndex].state = RUNNING; 运行任务

         }

}

这个定时中断函数是核心函数，任务的切换就是在这里完成。在FindNextTask 这个函数里，如果加入优先级判断逻辑，可以很容易地给这个调度器加入优先级。

另一个函数 SwitchTask 与Timer_Interrupt大同小异，用来在某个任务中出让 cpu, 切换到下一个就绪任务。

只看该作者 · 2011-10-26 23:17

本帖最后由 highgear 于 2011-10-27 02:10 编辑

源代码在此：

os.zip (2.03 KB)

只看该作者 · 2011-10-26 23:23

刚刚在proteus上弄了一晚上51移植ucos

楼主这个明天看看:lol

只看该作者 · 2011-10-27 07:40

希望能在keil下运行，否则没人看的。

1万 · 2011-10-27 08:20

楼主很努力, 强烈鼓励!
不过 51 移植 ucos, 这样玩太费力. 看的人也一样会很费力. 也没有什么实用性.
想玩 UCOS, 还是上 arm 级别的芯片吧

1万 · 2011-10-27 08:59

希望能在keil下运行，否则没人看的。
渤海三叠浪发表于 2011-10-27 07:40

谁爱看谁看....不要钱白给代码,已经很高尚了.

只看该作者 · 2011-10-27 09:45

牛啊，学习了

只看该作者 · 2011-10-27 10:07

楼主厉害呀，向楼主学习

只看该作者 · 2011-10-27 11:07

:victory:

1万 · 2011-10-27 12:33

好贴，墙裂帮顶~~~

1万 · 2011-10-27 13:15

本帖最后由 airwill 于 2011-10-27 13:17 编辑

作为教程, 这些代码的结构性好, 可读性不错. 值得看看

但是执行效率, 本人不敢恭维了, 感觉不大合适跑 51!

只看该作者 · 2011-10-27 14:37

KO使人落后

只看该作者 · 2011-10-27 14:54

条例清晰；挺好的

只看该作者 · 2011-10-27 16:59

首先定义一个寄存器结构

struct Registers
{
   unsigned int bp;
   unsigned int di;
   unsigned int si;
   unsigned int ds;
   unsigned int es;
   unsigned int dx;
   unsigned int ex;
...
highgear 发表于 2011-10-26 22:50

怎么插入代码的，很整齐啊