用一个春节写完一个RTOS，稳定＋可靠【连载】

只看该作者 · 2014-2-5 23:06

本帖最后由 hjz007 于 2014-2-6 13:33 编辑

一、除夕那天

看了今年的春晚，啊，看得直起**皮疙瘩，想吐。
你看看，什么《老阿姨》，什么《我的中国梦》，歌词真的恶心。“粪岛”拍马屁的动机也太露吧...

郁闷至于，无聊至极，心血来潮，大年春节晚上就顺便写了个RTOS，原本是很简单的，就是个任务调度，当时是想实现的功能是：把24MHZ的CPU分成16个虚拟CPU，即16个互不相干的任务。

没想到的是居然春晚没演完，就写完了，一测，还真是稳定，没啥问题。
鞭**叽歪叽歪的响，我的卧室对着的就是公园广场，冲天**一个一个的爆，老百姓那个欢乐劲，比登月还开心。
再想想，这样的分时功能也太土了，还是改成和ucos类似的RTOS吧。
但要：比ucosII要功能复杂些，任务调度要更灵活。
再要：资源占用要适合CORTEX M0，M3, M4。51就别管了，用了这么多年51，我觉得有CORTEX M0就可以了。
更要：简单，ucos的用户接口太“过时”了。我想啊，还是借鉴Microsoft的吧，比如一个Wait()打遍天下，对所有的同步机制接口都归一化。
特色：增加Wait3()，类似WaitMulti()即同时等待多个信号，这是很有用的。
无聊：TCPIP，USB，CAN 485这些都是很有用的，应该是不能放入OS中的。以后当功能包来扩吧。
困惑：要不要加GUI呢？现在都没想好。先暂时搁置吧，等用200MHZCPU的时候再说。

反正也睡不了，继续写好了。加点什么呢？
1.先来点Sleep吧。就是Delay咯，不过我觉得Sleep的叫法更加地道。
2.再来点临界区的管理吧。
3.再来点事件管理吧，标志寄存器A,SEMPHORE,MUTEX都给加了。
4.再测吧。死掉了...

功能：16个任务，内存占用小于100字节（特别针对CORTEX M0而设计）。
4个任务优先级，每个优先级里采用轮训调度。
程序代码：小于8K(现在是6K,还没优化）。

(先写这些吧，大家有兴趣的话，我继续写大年初一，大年初二...，也想把源代码贴出来）

1万 · 2014-2-5 23:29

定制一套自己风格的系统还是很爽的，不过我现在首选keil rtx.

3万 · 2014-2-6 09:11

mark一下，关注

只看该作者 · 2014-2-6 10:53

先从最简单的开始吧
OS的本质就是任务调度。即把一个CPU虚拟成多个CPU，各个CPU之间尽量独立，最好是谁都不碍谁。当然，如果真的谁都不碍谁，那OS就变得没有意义了。为了减少或者简化各个虚拟CPU之间的关联，就必须要设计一套同步机制，用于用简单不易出错的方式让各个虚拟CPU之间交换信息。最简单的就是FLAG通信了。
先不说同步机制，就说如何虚拟各个CPU吧。
这个也简单，就是不断保存寄存器，恢复寄存器，如此而已。
现在假设已经有了两个任务，一个为gpxTcbRunning，表示正在运行的任务，另外一个gpxTcbComming，表示将要运行的任务。最简单的OS就是将这两个任务不断的切换。
gpxTcbRunning和gpxTcbComming是两个指针，也就是指向两个任务控制块，控制块是什么呢？暂时先理解为任务管理的聚宝盆吧，即和任务相关的信息全部可以通过控制块获取得到，啥也不少，当然一般也没必要多余。
任务切换在CORTEX M系列的处理器里，可以利用PendSV中断来调度。中断服务程序代码如下：
.global HOSPsvHandler
.func HOSPsvHandler, HOSPsvHandler
.thumb_func
HOSPsvHandler:
LDR    R3,=gpxTcbRunning
LDR    R1,[R3]
LDR    R2,=gpxTcbComming
LDR    R2,[R2]

CMP    R1,R2
BEQ    exitPendSV
MRS    R0, PSP

SUBS R0,R0,#32
STR    R0,[R1]
STMIA R0!,{R4-R7}
MOV    R4,R8
MOV    R5,R9
MOV    R6,R10
MOV    R7,R11
STMIA R0!,{R4-R7}

popStk:
STR    R2, [R3]
LDR    R0, [R2]

ADDS R0,R0,#16
LDMIA R0!,{R4-R7}
MOV    R8,R4
MOV    R9,R5
MOV    R10,R6
MOV    R11,R7
SUBS    R0,R0,#32
LDMIA R0!,{R4-R7}
ADDS    R0,R0,#16
MSR    PSP, R0

exitPendSV:
BX    LR
.endfunc

先写到这里吧，尿急...

3万 · 2014-2-6 11:23

哈哈

1万 · 2014-2-6 12:37

3万 · 2014-2-6 13:08

hjz007 发表于 2014-2-6 10:53
先从最简单的开始吧
OS的本质就是任务调度。即把一个CPU虚拟成多个CPU，各个CPU之间尽量独立，最好是谁都不 ...

;P尿急不用给大家汇报的

只看该作者 · 2014-2-6 13:22

膜拜下·····

只看该作者 · 2014-2-6 13:29

HOSPsvHandler 所做的工作就是切换上下文，我们知道，OS有个调度的时钟，叫SysTick，我把我自己写的这个操作系统叫HOS，因为确实不知道给它取什么名字比较好，就把名字的第一个字母H加上，叫HOS吧。能表达意思就可以了。
中间插一句，所有的函数都前面加有HOS，比如SysTick的ISR程序，就叫HOSSysTickHandler。
.global HOSSysTickHandler
.func HOSSysTickHandler, HOSSysTickHandler
.thumb_func
HOSSysTickHandler:
PUSH {LR}
BL HOSTaskScheduleBySysTick
LDR    R3,=NVIC_INT_CTRL
LDR    R3,[R3]
LDR    R2,=NVIC_PENDSVSET
LDR    R1,[R2]
STR    R1, [R3]
POP {PC}
.endfunc

这个HOSSysTickHandler是个永不停息的中断，周期一班取1ms到10ms，它做的工作很简单，就是调用一下HOSTaskScheduleBySysTick函数。这个函数负责任务调度，即什么优先级先调度，有那些任务可以调度。确定好需要调度的程序以后，然后做一些准备工作，那些工作实际上都可以在HOSSysTickHandler里处理的，不过HOSSysTickHandler是汇编写的，写起来比较郁闷，就在HOSTaskScheduleBySysTick函里用C语言准备好切换的工作。其中准备gpxTcbRunning和gpxTcbComming是当务之急了。
HOSSysTickHandler调用完HOSTaskScheduleBySysTick之后，触发PENDSVC调用中断。也就会调用HOSPsvHandler这个ISR了。
记得HOSPsvHandler代码里的使用了两个gpxTcbRunning和gpxTcbComming变量吧，这两个变量就是在HOSTaskScheduleBySysTick准备好的。

简单总结一下：
1、周期定时器启动HOSSysTickHandler
2、HOSSysTickHandler启动HOSTaskScheduleBySysTick之后再启动HOSPsvHandler
3、HOSPsvHandler启动两个任务的上下文切换。

1和2都说过了，比较简单吧，下面要重点解释HOSPsvHandler的工作了，实际上也没多少东西，就是保存寄存器，恢复寄存器而已。
（待续）

只看该作者 · 2014-2-6 20:35

厉害，赞一个

只看该作者 · 2014-2-7 08:52

果然是电工

只看该作者 · 2014-2-7 09:23

赞一个先。

1万 · 2014-2-7 09:48

顶一个先

只看该作者 · 2014-2-7 10:55

本帖最后由 hjz007 于 2014-2-7 11:02 编辑

继续开工哦。

其实，写一个RTOS没花多少时间，比如就1天时间吧，但调试测试就花了不下5天。任务调度的各种问题，需要测试才能发现，估计爱因斯坦这样的人，如果他是程序员的话，也不可能一开始就把所有的问题想周全。

要玩那个任务调度，自然第一个事情是要弄清楚ARM的异常处理过程，分别为进入过程和退出过程。当然还有退出是的异常过程...
这方面的资料在ARM EXCEPTION MODEL会详细的讲述。现在来看看简单异常入栈的过程：
if CONTROL.SPSEL == '1' && CurrentMode == Mode_Thread then
      frameptralign = SP_process<2>;
      SP_process = (SP_process - 0x20) AND NOT(ZeroExtend('100',32));
      frameptr = SP_process;
else
      frameptralign = SP_main<2>;
      SP_main = (SP_main - 0x20) AND NOT(ZeroExtend('100',32));
      frameptr = SP_main;
      /* only the stack locations, not the store order, are architected */
      MemA[frameptr,4] = R[0];
      MemA[frameptr+0x4,4] = R[1];
      MemA[frameptr+0x8,4] = R[2];
      MemA[frameptr+0xC,4] = R[3];
      MemA[frameptr+0x10,4] = R[12];
      MemA[frameptr+0x14,4] = LR;
      MemA[frameptr+0x18,4] = ReturnAddress();
      MemA[frameptr+0x1C,4] = (xPSR<31:10>:frameptralign:xPSR<8:0>);
      if CurrentMode==Mode_Handler then
            LR = 0xFFFFFFF1;
      else
            if CONTROL.SPSEL == '0' then
                     LR = 0xFFFFFFF9;
            else
                     LR = 0xFFFFFFFD; 从上面的描述可以看出，异常进入的时候，CPU自动保存了R0~R3, R12, LR, PC, xPSR八个寄存器。同时特别注意，LR的值被赋予一个用于中断返回的特殊值：0xFFFFFFF1,0xFFFFFFF9,0xFFFFFFFD，分别标识CPU进入异常以前的运行模式和堆栈使用情况。如果在中断服务例程里调用了BXL, BL，则LR这个值是需要保存下来的，等需要退出中断服务程序的时候再取出来用。

只看该作者 · 2014-2-7 11:14

现在再来看任务切换的过程：
HOSPsvHandler:
LDR    R3,=gpxTcbRunning
LDR    R1,[R3]
LDR    R2,=gpxTcbComming
LDR    R2,[R2]

CMP    R1,R2 //如果gpxTcbComming、gpxTcbRunning相同，就不必要再切换上下文了。
BEQ    ExitPendSV
MRS    R0, PSP //取出正在运行任务的堆栈PSP，后面的工作就是往PSP里灌数据了，保存16个寄存器。上面提到CPU自动保存了8个，还需要手动保存R4~R11

SUBS R0,R0,#32
STR    R0,[R1]
STMIA R0!,{R4-R7} //保存4个寄存器， R4~R7
MOV    R4,R8
MOV    R5,R9
MOV    R6,R10
MOV    R7,R11
STMIA R0!,{R4-R7}  //保存4个寄存器,R8~R11

STR    R2, [R3] //用gpxTcbComming更新替换gpxTcbRunning
LDR    R0, [R2] //R0加载的就是gpxTcbRunning这个指针指向的内容了，不过值已经变成了gpxTcbComming的东西

ADDS R0,R0,#16 //从gpxTcbRunning实际上已经是（gpxTcbComming）取输出，恢复各个寄存器，同上。
LDMIA R0!,{R4-R7}
MOV    R8,R4
MOV    R9,R5
MOV    R10,R6
MOV    R11,R7
SUBS    R0,R0,#32
LDMIA R0!,{R4-R7}
ADDS    R0,R0,#16
MSR    PSP, R0 //这里取出的是即将运行任务的堆栈数据，恢复PSP

ExitPendSV:
LDR    R3,=NVIC_EXIT_TH_PSP  //返回。返回是CPU自动退栈，把对应位置的数据压入PC,LR等...
LDR    R0, [R3]
BX    R0

只看该作者 · 2014-2-7 15:55

楼主威武，技术强大，文风也彪悍啊

只看该作者 · 2014-2-8 11:55

强大.....

只看该作者 · 2014-2-8 16:17

只看该作者 · 2014-2-8 19:41

本帖最后由 hjz007 于 2014-2-8 20:06 编辑

任务切换就差不多说明白了，具体的需要大家看代码，以后再贴代码出来。
剩下的就是任务调度调度了。
为了简化学习的复杂性，不妨假设只有两个任务。那么调度程序可能就是：
void HOSTaskScheduleBySysTick()
{
if (gpxTcbRunning == &gxTcb[0])
{
gpxTcbComming == &gxTcb[1];
}
else
{
gpxTcbComming == &gxTcb[0];
}
}
上面的调度，就是两个任务的切换，一个为gxTcb[1]，另一个为gxTcb[0]，这个gxTcb是个任务块数组，最大也就16个。
哦，白痴也知道这样的调度程序自然毫无意义，如果不是为了学习。
实际上的调度代码长达1000多行，放在这里自然不合适，我估计得写个PDF文件才能说清楚。

那么gxTcb[0]，gxTcb[1]里面的东西从哪儿来呢？那当然是在OS运行起来之前都已经准备好了的，比如在main的第一行语句就可以调用HOSInitTask()。
main()
{
HOSInitTask(); //当然，也可能包括了CreateTask()...之类的。总之，就是准备工作，你得准备好一切，才能GO...
.....
}
当然，实际情况负杂的多，而且 HOSInitTask()也不是在main函数里调用的，二是在main函数之前就调用了。大家都知道，main函数作为C语言的默认入口函数是不太严谨的说法，实际上编译连接程序在调用main之前，还调用了给C语言运行环境进行初始化的代码。说得更直接点，就是连接器可以通过一个开关，自己设定真正的入口函数，在51里就是.org 0。在ARM里是通过用高级的连接器了，就是把复位函数的地址写入复位向量表的特定位置中。一帮的用ENTRY()指定你的复位响应函数。
不知道会不会有人问，既然把复位函数的地址写入了向量表的复位位置，干嘛还要ENTRY()呢?
因为连接器会把符号表进行管理，比如F1调用F2了，如果你用ENTRY(F1)指定了，则F1和F2都可以连接进来，如果你指定ENTRY(F2)，则F1不会被连接，被“和谐”掉了。所以要用ENTRY()把入口函数指定，这样就可以擒贼先擒王，提纲挈领，把所有该要的函数都连接进来，不好的函数统统走开。

只看该作者 · 2014-2-8 19:53

现在再来看看任务调度块里面有什么吧。

typedef  struct HOST_TCB
{
HOST_STK *pxStk;    //堆栈指针，
U32 u32Delay; //Sleep需要用的数据
U8 u8Head;  //TCB双向链表指针
U8 u8Tail;
unsigned int u4IsrCnt :4;  //ISR的管理计数
unsigned int u3Flag :3; //标记SLEEP，EVENT是否有阻塞，多了一比特，还没想好是用来喂狗还是干点其它的
unsigned int u2State :2; //任务状态，只有4种，READY, WAITING, RUNNING, NULL(仙逝)
unsigned int u2Prio    :2; //优先级，只有4中
unsigned int u1Block :1; //这个可算是我的独创了，这个比特用来通过外部停止任务，便于调试
unsigned int u4TaskId :4; //任务ID，从0到15（最大）
} HOST_TCB,*PHOST_TCB;

gpxTcbRunning实际上就是一个TCB块的指针，由于pxStk就是块的第一个元素，因此，gpxTcbRunning也是pxStk的指针。
看看上面的代码，HOSPsvHandler任务切换函数里LDR    R3,=gpxTcbRunning语句实际上取的就是pxStk，在汇编里写代码去全部分析TCB结构体块？在现代社会里，估计没有人会像比尔·盖茨那样蠢。比尔·盖茨可是用汇编写出来个QBASIC语言哦，按现在的标准，简直就是愚笨＋臭犟。

用一个春节写完一个RTOS，稳定＋可靠【连载】

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