一步步寫STM32 OS【四】OS基本框架

　　上一篇文章中，我們完成了兩個(gè)任務(wù)使用PendSV實(shí)現(xiàn)了互相切換的功能，下面我們接著其思路往下做。這次我們完成OS基本框架，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)非搶占式(已經(jīng)調(diào)度的進(jìn)程執(zhí)行完成,然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度等待的進(jìn)程)的任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，至于搶占式的，就留給大家思考了。上次代碼中Task_Switch實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)任務(wù)的切換，代碼如下：

　　void Task_Switch()

　　{

　　if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1)

　　g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2;

　　else

　　g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;

　　OSCtxSw();

　　}

　　我們把要切換任務(wù)指針付給跟_OS_Tcb_HighRdyP，然后調(diào)用OSCtxSw觸發(fā)PendSV異常，就實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的切換。如果是多個(gè)任務(wù)，我們只需找出就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最大的切換之即可。

　　二、添加任務(wù)調(diào)度功能

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)我們至少需要知道任務(wù)的狀態(tài)和時(shí)間等數(shù)據(jù)。我們定義了一個(gè)任務(wù)狀態(tài)枚舉類型OS_TASK_STA，方便添加修改狀態(tài)。在OS_TCB結(jié)構(gòu)體中添加了兩個(gè)成員TimeDly和State，TimeDly是為了實(shí)現(xiàn)OS_TimeDly，至于State與優(yōu)先級(jí)一起是作為任務(wù)切換的依據(jù)。

　　typedef enum OS_TASK_STA

　　{

　　TASK_READY,

　　TASK_DELAY,

　　} OS_TASK_STA;

　　typedef struct OS_TCB

　　{

　　OS_STK *StkAddr;

　　OS_U32 TimeDly;

　　OS_TASK_STA State;

　　}OS_TCB,*OS_TCBP;

　　說到任務(wù)切換，我們必須面對(duì)臨界區(qū)的問題，在一些臨界的代碼兩端不加臨界區(qū)進(jìn)去和退出代碼，會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的問題。以下地方需要特別注意，對(duì)關(guān)鍵的全局變量的寫操作、對(duì)任務(wù)控制塊的操作等。進(jìn)入臨界區(qū)和退出臨界區(qū)需要關(guān)閉和開啟中斷，我們采用uCOS中的一部分代碼：

　　PUBLIC OS_CPU_SR_Save

　　PUBLIC OS_CPU_SR_Restore

　　OS_CPU_SR_Save

　　MRS R0, PRIMASK

　　CPSID I

　　BX LR

　　OS_CPU_SR_Restore

　　MSR PRIMASK, R0

　　BX LR

　　#define OS_USE_CRITICAL OS_U32 cpu_sr;

　　#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();}

　　#define OS_EXIT_CRITICAL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}

　　#define OS_PendSV_Trigger() OSCtxSw()

　　一個(gè)OS至少要有任務(wù)表，我們可以用數(shù)組，當(dāng)然也可以用鏈表。為了簡(jiǎn)單，我們使用數(shù)組，使用數(shù)組下表作為優(yōu)先級(jí)。當(dāng)然，必要的地方一定要做數(shù)組越界檢查。

　　#define OS_TASK_MAX_NUM 32

　　OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM];

　　為了使OS更完整，我們定義幾個(gè)全局變量，OS_TimeTick記錄系統(tǒng)時(shí)間，g_Prio_Cur記錄當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，g_Prio_HighRdy記錄任務(wù)調(diào)度后就緒任務(wù)中的最高優(yōu)先級(jí)。

　　OS_U32 OS_TimeTick;

　　OS_U8 g_Prio_Cur;

　　OS_U8 g_Prio_HighRdy;

　　下面三個(gè)函數(shù)與PendSV一起實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的調(diào)度功能。

　　OS_Task_Switch函數(shù)功能：找出已就緒最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，并將其TCB指針賦值給g_OS_Tcb_HighRdyP，將其優(yōu)先級(jí)賦值g_Prio_HighRdy。注意其中使用了臨界區(qū)。

　　void OS_Task_Switch(void)

　　{

　　OS_S32 i;

　　OS_TCBP tcb_p;

　　OS_USE_CRITICAL

　　for(i=0;i

　　{

　　tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

　　if(tcb_p == NULL) continue;

　　if(tcb_p->State==TASK_READY) break;

　　}

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　g_OS_Tcb_HighRdyP=tcb_p;

　　g_Prio_HighRdy=i;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　}

　　OS_TimeDly至當(dāng)前任務(wù)為延時(shí)狀態(tài)，并將延時(shí)時(shí)間賦值給當(dāng)前TCB的TimeDly成員，并調(diào)用OS_Task_Switch函數(shù)，然后觸發(fā)PendSV進(jìn)行上下文切換。OS_Task_Switch找到就緒狀態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的，并將其賦值相關(guān)全局變量，作為上下文切換的依據(jù)。

　　void OS_TimeDly(OS_U32 ticks)

　　{

　　OS_USE_CRITICAL

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　g_OS_Tcb_CurP->State=TASK_DELAY;

　　g_OS_Tcb_CurP->TimeDly=ticks;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　OS_Task_Switch();

　　OS_PendSV_Trigger();

　　}

　　SysTick_Handler實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)時(shí)，并遍歷任務(wù)表，任務(wù)若是延時(shí)狀態(tài)，就令其延時(shí)值減一，若減完后為零，就將其置為就緒狀態(tài)。

　　void SysTick_Handler(void)

　　{

　　OS_TCBP tcb_p;

　　OS_S32 i;

　　OS_USE_CRITICAL

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　++OS_TimeTick;

　　for(i=0;i

　　{

　　tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

　　if(tcb_p == NULL) continue;

　　if(tcb_p->State==TASK_DELAY)

　　{

　　--tcb_p->TimeDly;

　　if(tcb_p->TimeDly == 0)

　　tcb_p->State=TASK_READY;

　　}

　　}

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　}

　　當(dāng)所有任務(wù)都沒就緒怎么辦?這時(shí)就需要空閑任務(wù)了，我們把它設(shè)為優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)。WFE指令為休眠指令，當(dāng)來中斷時(shí)，退出休眠，然后看看有沒有已就緒的任務(wù)，有則調(diào)度之，否則繼續(xù)休眠，這樣可以減小功耗哦。

　　void OS_Task_Idle(void)

　　{

　　while(1)

　　{

　　asm("WFE");

　　OS_Task_Switch();

　　OS_PendSV_Trigger();

　　}

　　}

　　當(dāng)一個(gè)任務(wù)只運(yùn)行一次時(shí)(例如下面main.c的task1)，結(jié)束時(shí)就會(huì)調(diào)用OS_Task_End函數(shù)，此函數(shù)會(huì)調(diào)用OS_Task_Delete函數(shù)從任務(wù)表中刪除當(dāng)前的任務(wù)，然后調(diào)度任務(wù)。

　　void OS_Task_Delete(OS_U8 prio)

　　{

　　if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return;

　　OS_TCB_TABLE[prio]=0;

　　}

　　void OS_Task_End(void)

　　{

　　printf("Task of Prio %d Endn",g_Prio_Cur);

　　OS_Task_Delete(g_Prio_Cur);

　　OS_Task_Switch();

　　OS_PendSV_Trigger();

　　}

　　三、OS實(shí)戰(zhàn)

　　下面是完整的main.c代碼：

　　#include "stdio.h"

　　#include "stm32f4xx.h"

　　#define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024

　　#define TASK_1_STK_SIZE 128

　　#define TASK_2_STK_SIZE 128

　　#define TASK_3_STK_SIZE 128

　　#define TASK_IDLE_STK_SIZE 1024

　　#define OS_TASK_MAX_NUM 32

　　#define OS_TICKS_PER_SECOND 1000

　　#define OS_USE_CRITICAL OS_U32 cpu_sr;

　　#define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();}

　　#define OS_EXIT_CRITICAL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}

　　#define OS_PendSV_Trigger() OSCtxSw()

　　typedef signed char OS_S8;

　　typedef signed short OS_S16;

　　typedef signed int OS_S32;

　　typedef unsigned char OS_U8;

　　typedef unsigned short OS_U16;

　　typedef unsigned int OS_U32;

　　typedef unsigned int OS_STK;

　　typedef void (*OS_TASK)(void);

　　typedef enum OS_TASK_STA

　　{

　　TASK_READY,

　　TASK_DELAY,

　　} OS_TASK_STA;

　　typedef struct OS_TCB

　　{

　　OS_STK *StkAddr;

　　OS_U32 TimeDly;

　　OS_U8 State;

　　}OS_TCB,*OS_TCBP;

　　OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM];

　　OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP;

　　OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP;

　　OS_U32 OS_TimeTick;

　　OS_U8 g_Prio_Cur;

　　OS_U8 g_Prio_HighRdy;

　　static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE];

　　OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase;

　　static OS_TCB TCB_1;

　　static OS_TCB TCB_2;

　　static OS_TCB TCB_3;

　　static OS_TCB TCB_IDLE;

　　static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE];

　　static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE];

　　static OS_STK TASK_3_STK[TASK_3_STK_SIZE];

　　static OS_STK TASK_IDLE_STK[TASK_IDLE_STK_SIZE];

　　extern OS_U32 SystemCoreClock;

　　extern void OSStart_Asm(void);

　　extern void OSCtxSw(void);

　　extern OS_U32 OS_CPU_SR_Save(void);

　　extern void OS_CPU_SR_Restore(OS_U32);

　　void task_1(void);

　　void task_2(void);

　　void task_3(void);

　　void OS_Task_Idle(void);

　　void OS_TimeDly(OS_U32);

　　void OS_Task_Switch(void);

　　void OS_Task_Create(OS_TCB *,OS_TASK,OS_STK *,OS_U8);

　　void OS_Task_Delete(OS_U8);

　　void OS_Task_End(void);

　　void OS_Init(void);

　　void OS_Start(void);

　　void task_1(void)

　　{

　　printf("[%d]Task 1 Runing!!!n",OS_TimeTick);

　　OS_Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE-1],5);

　　OS_Task_Create(&TCB_3,task_3,&TASK_3_STK[TASK_3_STK_SIZE-1],7);

　　}

　　void task_2(void)

　　{

　　while(1)

　　{

　　printf("[%d]Task 2 Runing!!!n",OS_TimeTick);

　　OS_TimeDly(1000);

　　}

　　}

　　void task_3(void)

　　{

　　while(1)

　　{

　　printf("[%d]Task 3 Runing!!!n",OS_TimeTick);

　　OS_TimeDly(1500);

　　}

　　}

　　void OS_Task_Idle(void)

　　{

　　while(1)

　　{

　　asm("WFE");

　　OS_Task_Switch();

　　OS_PendSV_Trigger();

　　}

　　}

　　void OS_TimeDly(OS_U32 ticks)

　　{

　　OS_USE_CRITICAL

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　g_OS_Tcb_CurP->State=TASK_DELAY;

　　g_OS_Tcb_CurP->TimeDly=ticks;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　OS_Task_Switch();

　　OS_PendSV_Trigger();

　　}

　　void OS_Task_Switch(void)

　　{

　　OS_S32 i;

　　OS_TCBP tcb_p;

　　OS_USE_CRITICAL

　　for(i=0;i

　　{

　　tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

　　if(tcb_p == NULL) continue;

　　if(tcb_p->State==TASK_READY) break;

　　}

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　g_OS_Tcb_HighRdyP=tcb_p;

　　g_Prio_HighRdy=i;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　}

　　void OS_Task_Delete(OS_U8 prio)

　　{

　　if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return;

　　OS_TCB_TABLE[prio]=0;

　　}

　　void OS_Task_End(void)

　　{

　　printf("Task of Prio %d Endn",g_Prio_Cur);

　　OS_Task_Delete(g_Prio_Cur);

　　OS_Task_Switch();

　　OS_PendSV_Trigger();

　　}

　　void OS_Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk,OS_U8 prio)

　　{

　　OS_USE_CRITICAL

　　OS_STK *p_stk;

　　if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return;

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　p_stk = stk;

　　p_stk = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u);

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL; //xPSR

　　*(--p_stk) = (OS_STK)task; // Entry Point

　　*(--p_stk) = (OS_STK)OS_Task_End; // R14 (LR)

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL; // R12

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL; // R3

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL; // R2

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL; // R1

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u; // R0

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL; // R11

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL; // R10

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL; // R9

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL; // R8

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL; // R7

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL; // R6

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL; // R5

　　*(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL; // R4

　　tcb->StkAddr=p_stk;

　　tcb->TimeDly=0;

　　tcb->State=TASK_READY;

　　OS_TCB_TABLE[prio]=tcb;

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　}

　　void SysTick_Handler(void)

　　{

　　OS_TCBP tcb_p;

　　OS_S32 i;

　　OS_USE_CRITICAL

　　OS_ENTER_CRITICAL();

　　++OS_TimeTick;

　　for(i=0;i

　　{

　　tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

　　if(tcb_p == NULL) continue;

　　if(tcb_p->State==TASK_DELAY)

　　{

　　--tcb_p->TimeDly;

　　if(tcb_p->TimeDly == 0)

　　tcb_p->State=TASK_READY;

　　}

　　}

　　OS_EXIT_CRITICAL();

　　}

　　void OS_Init(void)

　　{

　　int i;

　　g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1;

　　asm("CPSID I");

　　for(i=0;i

　　OS_TCB_TABLE[i]=0;

　　OS_TimeTick=0;

　　OS_Task_Create(&TCB_IDLE,OS_Task_Idle,&TASK_IDLE_STK[TASK_IDLE_STK_SIZE-1],OS_TASK_MAX_NUM-1);

　　}

　　void OS_Start(void)

　　{

　　OS_Task_Switch();

　　SystemCoreClockUpdate();

　　SysTick_Config(SystemCoreClock/OS_TICKS_PER_SECOND);

　　OSStart_Asm();

　　}

　　int main()

　　{

　　OS_Init();

　　OS_Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1],2);

　　OS_Start();

　　return 0;

　　}

　　os_port.asm變化不大，具體內(nèi)容可以下載文章末尾提供的工程參考。

　　老規(guī)矩，下載調(diào)試，全速運(yùn)行，觀察Terminal IO窗口：

　　從輸出來看，我們已經(jīng)完成了目標(biāo)。但不保證穩(wěn)定性，可能有不少Bugs。至此，可以說其實(shí)寫一個(gè)OS并不難，難的是寫一個(gè)穩(wěn)定安全高效的OS。所以，現(xiàn)在只是走了一小步，想要完成一個(gè)成熟的OS，還需要不斷測(cè)試，不斷優(yōu)化。例如，我們采用數(shù)組存儲(chǔ)任務(wù)表，也可以采用鏈表，各有優(yōu)缺點(diǎn)。我們只有一個(gè)任務(wù)表，也可以分成多個(gè)表，例如就續(xù)表，等待表等等。我們的任務(wù)調(diào)度部分運(yùn)行時(shí)間不確定，對(duì)于實(shí)時(shí)OS，這是不可以的，怎么修改呢，例如像uCOS的查找表法那樣。現(xiàn)在我們的系統(tǒng)只能創(chuàng)建并調(diào)度任務(wù)，還未加入其他功能，例如信號(hào)量、郵箱、隊(duì)列、內(nèi)存管理等。其實(shí)到了這里，大家完全可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，參照本文開發(fā)自己的OS。如果以后有時(shí)間的話，還會(huì)再寫幾篇文章繼續(xù)完善我們的OS。