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如何设计嵌入式系统?嵌入式操作系统的精髓

  • 时间:2018-03-07 14:28
  • 发布:嵌入式培训
  • 来源:嵌入式教程


这个是在网上看到的一篇文档,作者的目的是设计一个简单的嵌入式操作系统,只实现一个基本任务调度器的功能。正如作者所说,虽然不能称为操作系统,但已体现了小型嵌入式操作系统的精髓。对于我们来说是很好的学习资料,可以从中一窥操作系统的面目,今天分享给大家。

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多任务机制

其实在单一CPU 的情况下,是不存在真正的多任务机制的,存在的只有不同的任务轮流使用CPU,所以本质上还是单任务的。但由于CPU执行速度非常快,加上任务切换十分频繁并且切换的很快,所以我们感觉好像有很多任务同时在运行一样。这就是所谓的多任务机制。

实时系统的特征是延时可预测,能够在一个规定的时间内(通常是 ms 级别的)对某些信号做出反应。

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任务的状态

任务有下面的特性:任务并不是随时都可以运行的,而一个已经运行的任务并不能保证一直占有 CPU 直到运行完。一般有就绪态,运行态,挂起态等。

运行态:一个运行态的任务是一个正在使用 CPU 的任务。任何时刻有且只有一个运行着的任务。

就绪态:一个就绪态任务是可运行的,等待占有 CPU 的任务释放 CPU。

挂起态:某些条件不满足而挂起不能运行的状态。

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如何转化为就绪态

INT32U OSRdyTbl; /* 就绪任务表 */

上面定义一个 32 位变量,每一位代表一个任务,0 表示挂起状态,1 表示就绪状态。它记录了各任务的就绪与否状态,称它为就绪表。OSRdyTbl 定义为 32 位变量,对应32 个任务。当然,定义为 64 位的话,便最多能支持 64 个任务。这样,可以定义两个宏,实现把任务的状态变为就绪或挂起态。

/* 在就绪表中登记就绪任务 */

#define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01<<prio;} //把相应位置1

/* 从就绪表中删除任务 */

#define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01<<prio); }//把相应位清零

任务之间互相独立,不存在互相调用的关系。所有任务在逻辑上都是平等的。由于任务之间互相看不见,所以他们之间的信息传输就无法当面完成。这就需要各种通信机制如信号量,消息邮箱,队列等来实现。

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什么是抢占式调度?

调度的概念,通俗的说就是系统在多个任务中选择合适的任务执行。系统如何知道何时该执行哪个任务?可以为每个任务安排一个唯一的优先级别,当同时有多个任务就绪时,优先运行优先级较高的任务。同时,任务的优先级也作为任务的唯一标识号。代码中都是对标识号来完成对任务的操作的。

所谓“抢占式调度”是指:一旦就绪状态中出现优先权更高的任务,便立即剥夺当前任务的运行权,把CPU分配给更高优先级的任务。这样CPU 总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务。

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多任务系统的时间管理

与人一样,多任务系统也需要一个“心跳”来维持其正常运行,这个心跳叫做时钟节拍,通常由定时器产生一个固定周期的中断来充当。

OSTimeDly 函数就是以时钟节拍为基准来延时的(在时钟的中断服务函数中,依次对各个延时任务的延时节拍数减1。若发现某个任务的延时节拍数变为0,则把它从挂起态置为就绪态。)。这个函数完成功能很简单,就是先挂起当起当前任务,设定其延时节拍数,然后进行任务切换,在指定的时钟节拍数到来之后,将当前任务恢复为就绪状态。任务必须通过OSTimeDly或 OSTaskSuspend 让出CPU的使用权(延时或等待事件),使更低优先级任务有机会运行。

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如何实现多任务?

只有一个CPU,如何在同一时间实现多个独立程序的运行?要实现多任务,条件是每个任务互相独立。人如何才能独立,有自己的私有财产。任务也一样,如果一个任务有自己的CPU,堆栈,程序代码,数据存储区,那这个任务就是一个独立的任务。(CPU是通过多任务机制获得的,其他的需要你分配)

TIPS:

如果一个任务正在运行某个公共函数时(如Printf), 被另一个高优先级的任务抢占,那么当这个高优先级的任务也调用同一个公共函数时,极有可能破坏原任务的数据。因为两个任务可能共用一套数据。为了防止这种情况发生,常采用两种措施:可重入设计和互斥调用。

可重入函数中所有的变量均为局部变量,局部变量在调用时临时分配空间,所以不同的任务在不同的时刻调用该函数时,它们的同一个局部变量所分配的存储空间并不相同(任务私有栈中),互不干扰。另外,如果可重入函数调用了其他函数,则这些被调用的函数也必须是可重入函数。

实现互斥(独占)访问的方法有关中断,关调度,互斥信号量,计数信号量等。

6.1 一个任务如何拥有自己的程序代码

对于如何实现多任务,首先是程序代码,每个任务的程序代码与函数一样,与51 的裸奔程序一样,每个任务都是一个大循环。然后是数据存储区,由于全局变量是系统共用的,各个任务共享,不是任务私有,所以这里的数据存储区是指任务的私有变量,如何变成私有?局部变量也。编译器是把局部变量保存在栈里的,所以好办,只要任务有个私有的栈就行。

TIPS:

临界资源是一次仅允许一个任务使用的共享资源。每个任务中访问临界资源的那段程序称为临界区。

在多任务系统中,为保障数据的可靠性和完整性,共享资源要互斥(独占)访问,所以全局变量(只读的除外)不能同时有多个任务访问,即一个任务访问的时候不能被其他任务打断。共享资源是一种临界资源。

6.2 一个任务如何拥有自己的堆栈、数据存储区

私有栈的作用是存放局部变量,函数的参数,它是一个线性的空间,所以可以申请一个静态数组,把栈顶指针SP指向栈的数组的首元素(递增栈)或最后一个元素(递减栈)。即可打造一个人工的栈出来。每个任务还要有记录自己栈顶指针的变量,保存在任务控制块(TCB)中。

什么是任务控制块?

系统中的每个任务具有一个任务控制块,任务控制块记录任务执行的环境,这里的任务控制块比较简单,只包含了任务的堆栈指针和任务延时节拍数。任务控制块是任务的身份证。它把任务的程序与数据联系起来,找到它就可以得到任务的所有资源。


6.3 一个任务如何拥有自己的CPU

最后来看看任务是如何“拥有”自己的CPU 的。只有一个 CPU,各个任务共享,轮流使用。如何才能实现?我们先来看看中断的过程,当中断来临时,CPU 把当前程序的运行地址,寄存器等现场数据保存起来(一般保存在栈里),然后跳到中断服务程序执行。待执行完毕,再把先前保存的数据装回CPU 又回到原来的程序执行。这样就实现了两个不同程序的交叉运行。

借鉴这种思想不就能实现多任务了吗!模仿中断的过程就可以实现任务切换运行。任务切换时,把当前任务的现场数据保存在自己的任务栈里面,再把待运行的任务的数据从自己的任务栈装载到CPU中,改变 CPU 的 PC,SP,寄存器等。可以说,任务的切换是任务运行环境的切换。而任务的运行环境保存在任务栈中,也就是说,任务切换的关键是把任务的私有堆栈指针赋予处理器的堆栈指针SP。

创建一个任务。它接收三个参数,分别是任务的入口地址,任务堆栈的首地址和任务的优先级。调用本函数后,系统会根据用户给出的参数初始化任务栈,并把栈顶指针保存到任务控制块中,在任务就绪表标记该任务为就绪状态。最后返回,这样一个任务就创建成功了。

当一个任务将要运行时,便通过取得它的堆栈指针(保存在任务控制块中)将这些寄存器出栈装入CPU 相应的位置即可。

6.4 如何实现抢占式调度?

基于任务优先级的抢占式调度,也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态,则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了保证CPU 总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务,每当任务状态改变后,即判断当前运行的任务是否是就绪任务中优先级最高的,否则进行任务切换。

任务状态会在什么时候发生改变呢?有下面两种情况:

1、高优先级的任务因为需要某种资源或延时,主动请求挂起,让出处理器,此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行,这种调度称为任务级的切换。如任务执行OSTimeDly()或OSTaskSuspend()把自身挂起就属于这种。

2、高优先级的任务因为时钟节拍到来,或在中断处理结束后,内核发现更高优先级任务获得了执行条件(如延时的时钟到时)则在中断后直接切换到更高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的切换。

6.5 挂起/恢复任务

1. 挂起任务

通过 OSTaskSuspend()可以主动挂起一个任务。OSTaskSuspend()会把任务从任务就绪表中移出,最后重新启动系统调度。这个函数可以挂起任务本身也可以挂起其他任务。

2 .恢复任务(OSTaskResume())

可以让被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 挂起的任务恢复就绪态,然后进行任务调度。

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