寫一個簡易嵌入式操作系統(tǒng)

時間：2017-07-15 11:56:04 佳洲1085由分享

　　在了解了操作系統(tǒng)的原理和工作后，我們可以自己寫一個簡易的嵌入式操作系統(tǒng)，下面由學(xué)習(xí)啦小編為大家整理了寫一個簡易嵌入式操作系統(tǒng)的相關(guān)知識，希望對大家有幫助!

　　寫一個簡易嵌入式操作系統(tǒng)概述

　　1.首先確定CPU，在這里為了簡單，就選用嵌入式的CPU，比如arm系列，之所以用RISC(簡單指令集)類型的CPU，其方便之處是沒有實模式與保護(hù)模式之分，采用線性的統(tǒng)一尋址，也就是不需要進(jìn)行段頁式內(nèi)存管理，還有就是芯片內(nèi)部集成了一些常用外設(shè)控制器，比如以太網(wǎng)卡，串口等等，不需要像在PC機(jī)的主板上那么多外設(shè)芯片

　　2.確定要實現(xiàn)的模塊和功能，為了簡單，只實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度(但有限制，比如最多不超過10)，實現(xiàn)中斷處理(不支持中斷優(yōu)先級)，不進(jìn)行動態(tài)SHELL交互，不實現(xiàn)動態(tài)模塊加載，不實現(xiàn)fork之類的動態(tài)進(jìn)程派生和加載(也就是說要想在你的操作系統(tǒng)上加入用戶程序，只能靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核中;不支持文件系統(tǒng)，不支持網(wǎng)絡(luò)，不支持PCI，磁盤等外設(shè)(除了支持串口，呵呵，串口最簡單嘛)，不支持虛擬內(nèi)存管理(也就是說多任務(wù)中的每個進(jìn)程都可以訪問到任何地址，這樣做的話，一個程序死了，那么這個操作系統(tǒng)也就玩完了)

　　3.確定要使用的編譯器，這里采用GCC，文件采用ELF格式，當(dāng)然，最終的文件就是BIN格式，GCC和LINUX有著緊密的聯(lián)系，自己的操作系統(tǒng)，需要C庫支持和系統(tǒng)調(diào)用支持，所以需要自己去裁剪庫，自己去實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用

　　4.實現(xiàn)步驟：首先是CPU選型，交叉編譯環(huán)境的建立，然后就是寫B(tài)OOTLOADER，寫操作系統(tǒng)通過以上4點的學(xué)習(xí)一個簡單的嵌入式操作系統(tǒng)準(zhǔn)備工作就差不多做好了。

　　寫一個簡易嵌入式操作系統(tǒng)詳解

　　程序本質(zhì)的剖析

　　寫操作系統(tǒng)這個高端大氣上檔次的工作肯定要有一些鋪墊了，最必須的就是對你寫的程序的了解，也許你會說，我寫的程序，我還能不理解嗎，但是這次咱么要從寄存器角度分析。

　　咱們首先從類比學(xué)習(xí)開始，咱們先來理解中斷，對于中斷，學(xué)習(xí)單片機(jī)的小朋友們肯定很理解，咱么來一起回顧下，單片機(jī)是怎么用硬件實現(xiàn)中斷的(更為具體的說明在Cortex-M3權(quán)威指南-carpter9中斷的具體行為)其實中斷就是多任務(wù)的環(huán)境了，只不過這個多任務(wù)環(huán)境只能有兩個任務(wù)(在只有一個中斷的前提下)，那么只要咱么能模擬出來中斷，那實現(xiàn)自己的操作系統(tǒng)也是很簡單的呢。

　　CM3中斷的一個完整過程由一下幾個部分組成

　　1. 入棧

　　2. 取向量

　　3. 更新寄存器

　　4. 異常返回

　　入堆棧：響應(yīng)異常的第一個行動，就是自動保存現(xiàn)場的必要部分：依次把xPSR, PC, LR, R12以及R3‐R0由硬件自動壓入適當(dāng)?shù)亩褩Ｖ?，就是保存要切換出去的任務(wù)，因為下面就要開始執(zhí)行中斷這個任務(wù)了，如果不保存就無法實現(xiàn)這個任務(wù)的完全復(fù)原了。

　　取向量：其實就是找到中斷任務(wù)的入口地址，這樣才能開始執(zhí)行中斷函數(shù)

　　更新寄存器

　　異常返回：當(dāng)異常服務(wù)例程執(zhí)行完畢后，需要很正式地做一個“異常返回”動作序列，從而恢復(fù)先前的系統(tǒng)狀態(tài)，才能使被中斷的程序得以繼續(xù)執(zhí)行

　　操作系統(tǒng)的任務(wù)切換也是大同小異

　　1. 屏蔽所有中斷

　　2. 保存正在執(zhí)行的任務(wù)的寄存器信息到任務(wù)獨立的堆棧中

　　3. 從要投入運行的任務(wù)的堆棧中取出數(shù)據(jù)到寄存器中

　　4. 取消中斷屏蔽

　　經(jīng)過這四步，上一個任務(wù)已經(jīng)被保存起來，等待下一次的運行，要運行的任務(wù)已經(jīng)開始了運行

　　上面這四步只是一個大體的概述

　　在對CM3內(nèi)核的實現(xiàn)描述前有一些準(zhǔn)備知識

　　1. CM3寄存器基礎(chǔ)(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　2. BASEPRI寄存器，用于中斷屏蔽(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　3. 線程模式和handler模式，在保存上下文時用(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　4. 特權(quán)級和用戶級，明白在Systick中斷時的情況(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　5. PendSV異常，在這個異常中進(jìn)行任務(wù)切換(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　6. SVC異常，啟動OS，開始執(zhí)行第一個任務(wù)就是通過呼叫SVC異常(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　7. MSP和PSP雙堆棧指針的使用，保存寄存器時用(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　8. 中斷控制及狀態(tài)寄存器ICSR，知道如何觸發(fā)PendSV異常(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　9. 向量表偏移量寄存器VTOR，第一次切入任務(wù)的(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　10. 向量表結(jié)構(gòu)，得到MSP的初始值(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　11. 系統(tǒng)異常優(yōu)先級寄存器，用于設(shè)置PendSV異常和Systick異常的優(yōu)先級(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　下面詳細(xì)說明上述幾點

　　1. CM3寄存器基礎(chǔ)

　　1.BASEPRI寄存器，用于中斷屏蔽(在Cortex-M3權(quán)威指南一書)

　　在更精巧的設(shè)計中，需要對中斷掩蔽進(jìn)行更細(xì)膩的控制——只掩蔽優(yōu)先級低于某一閾值的中斷——它們的優(yōu)先級在數(shù)字上大于等于某個數(shù)。那么這個數(shù)存儲在哪里?就存儲在BASEPRI中。不過，如1果往BASEPRI中寫0，則另當(dāng)別論——BASEPRI將停止掩蔽任何中斷。例如，如果你需要掩蔽所有優(yōu)先級不高于0x60的中斷，則可以如下編程：

　　MOV R0, #0x60

　　MSR BASEPRI, R0

　　如果需要取消 BASEPRI 對中斷的掩蔽，則示例代碼如下：

　　MOV R0, #0

　　MSR BASEPRI, R0

　　2.線程模式和handler模式

　　3.特權(quán)級和用戶級

　　4.PendSV異常

　　試想一個這個過程一個ISR正在執(zhí)行SysTick 異常會搶占其 ISR，在這時OS 不得執(zhí)行上下文切換，否則將使中斷請求被延遲，而且在真實系統(tǒng)中延遲時間還往往不可預(yù)知——任何有一丁點實時要求的系統(tǒng)都決不能容忍這種事。因此，在 CM3 中也是嚴(yán)禁沒商量——如果 OS 在某中斷活躍時嘗試切入線程模式，將觸犯用法 fault 異?！，F(xiàn)在好了，PendSV 來完美解決這個問題了。PendSV 異常會自動延遲上下文切換的請求，

　　直到其它的 ISR 都完成了處理后才放行。為實現(xiàn)這個機(jī)制，需要把 PendSV 編程為最低優(yōu)先級的異常。如果 OS 檢測到某 IRQ 正在活動并且被 SysTick 搶占，它將懸起一個 PendSV 異常，

　　以便緩期執(zhí)行上下文切換。

　　5.SVC異常

　　SVC 用于產(chǎn)生系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用請求。例如，操作系統(tǒng)不讓用戶

　　程序直接訪問硬件，而是通過提供一些系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)，用戶程序使用 SVC 發(fā)出對系統(tǒng)服務(wù)函

　　數(shù)的呼叫請求，以這種方法調(diào)用它們來間接訪問硬件。

　　6.MSP和PSP雙堆棧指針的使用

　　一般情況下

　　在線程模式下使用PSP，在handler模式下使用MSP

　　所以在進(jìn)行任務(wù)切換的時候，只需要把通用寄存器數(shù)據(jù)壓入任務(wù)的私有堆棧。

　　在異常的時候，只能使用MSP堆棧指針，任務(wù)切換又是在PendSV異常中進(jìn)行的，

　　所以進(jìn)入PnedSV異常的時候，

　　7.先把通用寄存器的內(nèi)容保存到要切換出去的任務(wù)的私有堆棧(這是保存上文)，

　　8.保存通用寄存器到主堆棧，

　　9.屏蔽所有中斷，進(jìn)入臨界區(qū)

　　10.調(diào)用C語言函數(shù)進(jìn)行切換當(dāng)前任務(wù)的TCB指針，

　　11.返回到異常匯編函數(shù)中

　　12.解除中斷屏蔽

　　13.從主堆棧中恢復(fù)數(shù)據(jù)到通用寄存器，

　　14.從要切入任務(wù)的私有堆棧中恢復(fù)數(shù)據(jù)到通用寄存器

　　15.退出異常

　　16.中斷控制及狀態(tài)寄存器ICSR

　　ICSR的第28位是讀寫類型，向這個位寫1就可以實現(xiàn)懸起PendSV異常

　　17.向量表偏移量寄存器VTOR

　　把這個作為地址從中取出的就是向量表的第一塊內(nèi)容

　　18.向量表結(jié)構(gòu)

　　向量表的第一塊內(nèi)容是MSP 的初始值

　　19.系統(tǒng)異常優(yōu)先級寄存器

　　PendSV異常和Systick異常在操作系統(tǒng)中，應(yīng)該設(shè)成最低，

　　通過這兩個寄存器改變這兩個異常的優(yōu)先級

　　應(yīng)該修改成0xf0

　　下面對于CM3這個內(nèi)核說一下詳細(xì)的實現(xiàn)步驟

　　咱們先從簡單的來，加入現(xiàn)在你寫了兩個函數(shù)

　　并且有一個任務(wù)切換函數(shù)

　　void TaskSwitch(void);

　　void Task0(void)

　　{

　　while(1)

　　{

　　//do something task

　　//實現(xiàn)任務(wù)的主動切換，就是把當(dāng)前任務(wù)切換出去把另一個任務(wù)切換進(jìn)去

　　TaskSwitch();

　　}

　　void Task1(void)

　　{

　　while(1)

　　{

　　//do something task

　　//實現(xiàn)任務(wù)的主動切換，就是把當(dāng)前任務(wù)切換出去把另一個任務(wù)切換進(jìn)去

　　TaskSwitch();

　　}

　　在main函數(shù)中調(diào)用Task0函數(shù)，實現(xiàn)手動啟動Task0,這就進(jìn)入了任務(wù)切換的循環(huán)了，那么TaskSwitch怎么實現(xiàn)了，下面開始進(jìn)入重點，開始一步一步說明，如何實現(xiàn)這個函數(shù)。

　　這里有一個前提

　　/* 當(dāng)前任務(wù)控制塊的指針 */

　　OS_TCB * p_OS_TCB_Current;

　　/* 高優(yōu)先級任務(wù)控制塊指針 */

　　OS_TCB * p_OS_HighPriTCB_Current;

　　首先先說一下TaskSwitch函數(shù)中實現(xiàn)了什么

　　1. 屏蔽中斷，進(jìn)入臨界區(qū)

　　2. 根據(jù)相應(yīng)的算法計算下一個應(yīng)該切入的任務(wù)是那個，咱么這里很簡單，

　　如果正在執(zhí)行任務(wù)0，那么切換到任務(wù)1，

　　如果正在執(zhí)行任務(wù)1，那么切換到任務(wù)0，

　　這就實現(xiàn)了最簡單的任務(wù)切換。

　　3. 把p_OS_HighPriTCB_Current指向要切入的函數(shù)