DIY:給單片機寫個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核！

最后介紹一本《嵌入式實時操作系統(tǒng)UCOS II》，這本書介紹了UCOS II這個操作系統(tǒng)的內(nèi)部源代碼以及實現(xiàn)原理，我就是從這本書中學到了怎樣寫一個可以用的操作系統(tǒng)內(nèi)核。

　

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什么是操作系統(tǒng)？其實就是一個程序， 這個程序可以控制計算機的所有資源，對資源進行分配，包括CPU時間，內(nèi)存，IO端口等，按一定規(guī)則分配給所需要的進程（進程？也就是一個程序，可以單獨執(zhí)行），并且自動控制讓CPU可以執(zhí)行多個互不相關(guān)的任務，按照書中的介紹，一個操作系統(tǒng)需要具備四個要素：進程調(diào)度、內(nèi)存管理、IO管理、文件管理。

　

那怎么樣可以讓CPU同時執(zhí)行多個任務呢？首先想象一下如果讓CPU執(zhí)行單道程序，它會從MAIN函數(shù)開始一直順序地執(zhí)行下去，CPU里面有一個叫PC的寄存器，也就是程序計數(shù)器，它永遠指向下一條要執(zhí)行的指令的存放地址，因為大多數(shù)情況下指令都是逐條執(zhí)行的，所以PC寄存器也只是簡單地加一，所以大家都叫它”程序計數(shù)器“，從PC寄存器的特點也許我們可以做點文章？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不就自動地跑到另一段程序了么？哈哈。假如我們可以這樣做，那沒錯，CPU確定是跑到別人的領地去執(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，就像斷了線的風箏。呃。。這問題麻煩。。解決了這個問題就似乎有點苗頭了。。

　

好吧，我們來看看有一個很相似的問題，就是單片機在執(zhí)行代碼的時候，突然有一個中斷信號過來了，單片機馬上就屁顛屁顛地跑到中斷服務程序里面去執(zhí)行了，執(zhí)行完畢之后，奇怪?。∷趺催€記得跑回來原來的地方?。?？？OH NO .它是怎么辦到的。其實這里還要介紹另外一個寄存器叫SP的，即：STACK POINTER堆棧指針，這個指針指向一個內(nèi)存的地址，里面存放了一些數(shù)據(jù)。首先，單片機遇到中斷信號的時候，它就把當前的PC寄存器的值保存到SP所指的地址，這就相當于它記住了當前執(zhí)行的地方，叫做斷點保護，然后PC寄存器就指向中斷服務程序的地址，下一個時刻CPU就自動執(zhí)行中斷服務程序里面的代碼了，執(zhí)行完畢之后中斷服務程序調(diào)用了一個指令：RETI，這條指令叫返回指令，在函數(shù)結(jié)束之后調(diào)用，它會自動從SP指針指向的地址把值取出來放到PC寄存器里面，然后CPU就會自動回到之前斷掉的地方繼續(xù)執(zhí)行了！基于這個原理，我們可以回到上面的問題：首先，讓CPU把當前的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就會回到原來的地方繼續(xù)執(zhí)行了！！貌似這個問題完美地解決了??！

　

可是還有一個關(guān)鍵的問題：CPU在執(zhí)行當前代碼的時候 CPU里面所有的寄存器都保存的當前這個程序所用到的值，比如做加法的時候用到PSW寄存器的進位標志位，如果此時切換到別的任務，那再回到當前程序的時候，這些值都會被改變，CPU會陷入混亂然后直接跑飛?。〗鉀Q這問題同樣要靠SP同學，在切換任務的時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指針的值都會加一或者減一，視不同CPU而定。而要恢復的時候，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，下一時刻，CPU自動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同時在執(zhí)行很多任務，這就是操作系統(tǒng)里面最基本的原理。

　

SO，解釋完原理，我們首先來就來實現(xiàn)簡單的任務切換，這里的難點就在于：執(zhí)行這一動作必須要操作CPU的寄存器，而C語言是無法實現(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現(xiàn)的，否則根本無法實現(xiàn)任務切換。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，當我們要調(diào)用一個函數(shù)的時候，就會用到CALL這條指令，它執(zhí)行再從個動作，第一，先把當前的PC值保存起來，即現(xiàn)場保護，第二，把要調(diào)用的函數(shù)的入口地址送到PC，這樣，在下一時刻到來的時候，CPU就自動跳轉(zhuǎn)到特定的函數(shù)入口地址開始執(zhí)行了。

第二條：RET/RETI。當一個函數(shù)執(zhí)行完畢的時候，需要返回到原來執(zhí)行的地方，這時候就要調(diào)用 RET指令（在中斷函數(shù)中返回的時候調(diào)用RETI指令）。它把SP指向的數(shù)據(jù)，即上一次調(diào)用CALL時保存的那個地址原來到PC，這樣，當下一時刻到來的時候，CPU就會跳回到原來的地方了。實際上函數(shù)調(diào)用過程就是這樣的，所以有時候一些簡單簡短的函數(shù)寧愿用#define宏定義寫出來，因為這樣寫出來就不用使用調(diào)用/返回過程，節(jié)省了時間。

第三/四條：PUSH/POP。這兩個指令是兩兄弟，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)的特性就是后進先出，就像疊盤子一樣，最后疊上去的盤子會被最先取出，這種原理非常好用，想象一下函數(shù)嵌套的時候發(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，它會把值到保存到SP指針所指的地方。POP指令則把數(shù)據(jù)從SP所指的地址恢復到原來的寄存器中。

　

用這幾條指令，我們就可以寫出一個任務切換函數(shù)了，不過寫之前還要說明一下什么叫人工堆棧。其實上，一個程序在執(zhí)行的時候，它會用到一塊內(nèi)存空間用于保存各種變量，比如調(diào)用函數(shù)的時候這塊地方會用于保存地址以及寄存器，而在執(zhí)行一些復雜算法的時候，如果CPU的寄存器已經(jīng)用完了，這塊地方也會作為臨時中間變量的存放區(qū)，另外，在向一個函數(shù)傳遞參數(shù)的時候，比如:printf(a,b,c,d,e....)，如果參數(shù)過多，多余的參數(shù)也會先存放到這塊地方。所以說，這塊地方就像是這個程序的倉庫一樣，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，因為如果所有任務共用那塊區(qū)域，那舊任務保存的東西就會被新任務所沖掉，CPU一下子就瘋掉了。。解決的辦法就是：每個任務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，每個任務都不一樣，保證了不會相互沖突。

　

PS：因為51單片機的內(nèi)存太小，基本無法實現(xiàn)多任務，實現(xiàn)了也不實用，所以硬件平臺我選用了AVR單片機ATMEGA16，有1KB內(nèi)存，應該夠用了，花了兩天時間把AVR的匯編指令看了一遍

入完棧完接下來要保護當前程序的SP指針，以便下次它要返回的時候能找到該人工堆棧的地址：

OS_LastThread->ThreadStackTop=(OS_DataType_ThreadStack *)SP;
　

這一句用C語言就可以實現(xiàn)了。

接下來關(guān)于當前這段程序的現(xiàn)場算是保護好了，然后找到要切換到的任務的人工堆棧地址，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，所以它會返回到新任務執(zhí)行。

就這樣，一個操作系統(tǒng)里面最核心的”任務調(diào)度器“的模型就這樣簡單地實現(xiàn)了，操作系統(tǒng)里面所作的跟任務切換有關(guān)的事情到最后都要調(diào)用到這個任務調(diào)度器，現(xiàn)在我們實現(xiàn)調(diào)度器了，相當于成功了1/3，接下來的事情就是考慮在什么情況下調(diào)用這個調(diào)度器。