設(shè)計一個簡單的嵌入式系統(tǒng)

　　這個是在網(wǎng)上看到的一篇文檔，作者的目的是設(shè)計一個簡單的嵌入式操作系統(tǒng)，只實現(xiàn)一個基本任務(wù)調(diào)度器的功能。正如作者所說，雖然不能稱為操作系統(tǒng)，但已體現(xiàn)了小型嵌入式操作系統(tǒng)的精髓。對于我們來說是很好的學(xué)習(xí)資料，可以從中一窺操作系統(tǒng)的面目，今天分享給大家。

　　1、多任務(wù)機制

　　其實在單一CPU 的情況下，是不存在真正的多任務(wù)機制的，存在的只有不同的任務(wù)輪流使用CPU，所以本質(zhì)上還是單任務(wù)的。但由于CPU執(zhí)行速度非常快，加上任務(wù)切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺好像有很多任務(wù)同時在運行一樣。這就是所謂的多任務(wù)機制。

　　實時系統(tǒng)的特征是延時可預(yù)測，能夠在一個規(guī)定的時間內(nèi)（通常是 ms 級別的）對某些信號做出反應(yīng)。

　　2、任務(wù)的狀態(tài)

　　任務(wù)有下面的特性：任務(wù)并不是隨時都可以運行的，而一個已經(jīng)運行的任務(wù)并不能保證一直占有 CPU 直到運行完。一般有就緒態(tài)，運行態(tài)，掛起態(tài)等。

　　運行態(tài)：一個運行態(tài)的任務(wù)是一個正在使用 CPU 的任務(wù)。任何時刻有且只有一個運行著的任務(wù)。

　　就緒態(tài)：一個就緒態(tài)任務(wù)是可運行的，等待占有 CPU 的任務(wù)釋放 CPU。

　　掛起態(tài)：某些條件不滿足而掛起不能運行的狀態(tài)。

　　3、如何轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)

　　INT32U OSRdyTbl; /* 就緒任務(wù)表 */

　　上面定義一個 32 位變量，每一位代表一個任務(wù)，0 表示掛起狀態(tài)，1 表示就緒狀態(tài)。它記錄了各任務(wù)的就緒與否狀態(tài)，稱它為就緒表。OSRdyTbl 定義為 32 位變量，對應(yīng)32 個任務(wù)。當(dāng)然，定義為 64 位的話，便最多能支持 64 個任務(wù)。這樣，可以定義兩個宏，實現(xiàn)把任務(wù)的狀態(tài)變?yōu)榫途w或掛起態(tài)。

　　/* 在就緒表中登記就緒任務(wù) */

　　#define OSSetPrioRdy（prio） { OSRdyTbl |= 0x01《《prio;} //把相應(yīng)位置1

　　/* 從就緒表中刪除任務(wù) */

　　#define OSDelPrioRdy（prio） { OSRdyTbl &= ~（0x01《《prio）; }//把相應(yīng)位清零

　　任務(wù)之間互相獨立，不存在互相調(diào)用的關(guān)系。所有任務(wù)在邏輯上都是平等的。由于任務(wù)之間互相看不見，所以他們之間的信息傳輸就無法當(dāng)面完成。這就需要各種通信機制如信號量，消息郵箱，隊列等來實現(xiàn)。

　　4、什么是搶占式調(diào)度？

　　調(diào)度的概念，通俗的說就是系統(tǒng)在多個任務(wù)中選擇合適的任務(wù)執(zhí)行。系統(tǒng)如何知道何時該執(zhí)行哪個任務(wù)？可以為每個任務(wù)安排一個唯一的優(yōu)先級別，當(dāng)同時有多個任務(wù)就緒時，優(yōu)先運行優(yōu)先級較高的任務(wù)。同時，任務(wù)的優(yōu)先級也作為任務(wù)的唯一標(biāo)識號。代碼中都是對標(biāo)識號來完成對任務(wù)的操作的。

　　所謂“搶占式調(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)，便立即剝奪當(dāng)前任務(wù)的運行權(quán)，把CPU分配給更高優(yōu)先級的任務(wù)。這樣CPU 總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。

　　5、多任務(wù)系統(tǒng)的時間管理

　　與人一樣，多任務(wù)系統(tǒng)也需要一個“心跳”來維持其正常運行，這個心跳叫做時鐘節(jié)拍，通常由定時器產(chǎn)生一個固定周期的中斷來充當(dāng)。

　　OSTimeDly 函數(shù)就是以時鐘節(jié)拍為基準(zhǔn)來延時的（在時鐘的中斷服務(wù)函數(shù)中，依次對各個延時任務(wù)的延時節(jié)拍數(shù)減1。若發(fā)現(xiàn)某個任務(wù)的延時節(jié)拍數(shù)變?yōu)?，則把它從掛起態(tài)置為就緒態(tài)。）。這個函數(shù)完成功能很簡單，就是先掛起當(dāng)起當(dāng)前任務(wù)，設(shè)定其延時節(jié)拍數(shù)，然后進行任務(wù)切換，在指定的時鐘節(jié)拍數(shù)到來之后，將當(dāng)前任務(wù)恢復(fù)為就緒狀態(tài)。任務(wù)必須通過OSTimeDly或 OSTaskSuspend 讓出CPU的使用權(quán)（延時或等待事件），使更低優(yōu)先級任務(wù)有機會運行。

　　6、如何實現(xiàn)多任務(wù)？

　　只有一個CPU，如何在同一時間實現(xiàn)多個獨立程序的運行？要實現(xiàn)多任務(wù)，條件是每個任務(wù)互相獨立。人如何才能獨立，有自己的私有財產(chǎn)。任務(wù)也一樣，如果一個任務(wù)有自己的CPU，堆棧，程序代碼，數(shù)據(jù)存儲區(qū)，那這個任務(wù)就是一個獨立的任務(wù)。（CPU是通過多任務(wù)機制獲得的，其他的需要你分配）

　　TIPS：

　　如果一個任務(wù)正在運行某個公共函數(shù)時（如Printf）， 被另一個高優(yōu)先級的任務(wù)搶占，那么當(dāng)這個高優(yōu)先級的任務(wù)也調(diào)用同一個公共函數(shù)時，極有可能破壞原任務(wù)的數(shù)據(jù)。因為兩個任務(wù)可能共用一套數(shù)據(jù)。為了防止這種情況發(fā)生，常采用兩種措施：可重入設(shè)計和互斥調(diào)用。

　　可重入函數(shù)中所有的變量均為局部變量，局部變量在調(diào)用時臨時分配空間，所以不同的任務(wù)在不同的時刻調(diào)用該函數(shù)時，它們的同一個局部變量所分配的存儲空間并不相同（任務(wù)私有棧中），互不干擾。另外，如果可重入函數(shù)調(diào)用了其他函數(shù)，則這些被調(diào)用的函數(shù)也必須是可重入函數(shù)。

　　實現(xiàn)互斥（獨占）訪問的方法有關(guān)中斷，關(guān)調(diào)度，互斥信號量，計數(shù)信號量等。

　　6.1 一個任務(wù)如何擁有自己的程序代碼

　　對于如何實現(xiàn)多任務(wù)，首先是程序代碼，每個任務(wù)的程序代碼與函數(shù)一樣，與51 的裸奔程序一樣，每個任務(wù)都是一個大循環(huán)。然后是數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由于全局變量是系統(tǒng)共用的，各個任務(wù)共享，不是任務(wù)私有，所以這里的數(shù)據(jù)存儲區(qū)是指任務(wù)的私有變量，如何變成私有？局部變量也。編譯器是把局部變量保存在棧里的，所以好辦，只要任務(wù)有個私有的棧就行。

　　TIPS：

　　臨界資源是一次僅允許一個任務(wù)使用的共享資源。每個任務(wù)中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)。

　　在多任務(wù)系統(tǒng)中，為保障數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，共享資源要互斥（獨占）訪問，所以全局變量（只讀的除外）不能同時有多個任務(wù)訪問，即一個任務(wù)訪問的時候不能被其他任務(wù)打斷。共享資源是一種臨界資源。

　　6.2 一個任務(wù)如何擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)存儲區(qū)

　　私有棧的作用是存放局部變量，函數(shù)的參數(shù)，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態(tài)數(shù)組，把棧頂指針SP指向棧的數(shù)組的首元素（遞增棧）或最后一個元素（遞減棧）。即可打造一個人工的棧出來。每個任務(wù)還要有記錄自己棧頂指針的變量，保存在任務(wù)控制塊（TCB）中。

　　什么是任務(wù)控制塊？

　　系統(tǒng)中的每個任務(wù)具有一個任務(wù)控制塊，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，這里的任務(wù)控制塊比較簡單，只包含了任務(wù)的堆棧指針和任務(wù)延時節(jié)拍數(shù)。任務(wù)控制塊是任務(wù)的身份證。它把任務(wù)的程序與數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，找到它就可以得到任務(wù)的所有資源。

　　6.3 一個任務(wù)如何擁有自己的CPU

　　最后來看看任務(wù)是如何“擁有”自己的CPU 的。只有一個 CPU，各個任務(wù)共享，輪流使用。如何才能實現(xiàn)？我們先來看看中斷的過程，當(dāng)中斷來臨時，CPU 把當(dāng)前程序的運行地址，寄存器等現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存起來（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務(wù)程序執(zhí)行。待執(zhí)行完畢，再把先前保存的數(shù)據(jù)裝回CPU 又回到原來的程序執(zhí)行。這樣就實現(xiàn)了兩個不同程序的交叉運行。

　　借鑒這種思想不就能實現(xiàn)多任務(wù)了嗎！模仿中斷的過程就可以實現(xiàn)任務(wù)切換運行。任務(wù)切換時，把當(dāng)前任務(wù)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存在自己的任務(wù)棧里面，再把待運行的任務(wù)的數(shù)據(jù)從自己的任務(wù)棧裝載到CPU中，改變 CPU 的 PC，SP，寄存器等。可以說，任務(wù)的切換是任務(wù)運行環(huán)境的切換。而任務(wù)的運行環(huán)境保存在任務(wù)棧中，也就是說，任務(wù)切換的關(guān)鍵是把任務(wù)的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針SP。

　　創(chuàng)建一個任務(wù)。它接收三個參數(shù)，分別是任務(wù)的入口地址，任務(wù)堆棧的首地址和任務(wù)的優(yōu)先級。調(diào)用本函數(shù)后，系統(tǒng)會根據(jù)用戶給出的參數(shù)初始化任務(wù)棧，并把棧頂指針保存到任務(wù)控制塊中，在任務(wù)就緒表標(biāo)記該任務(wù)為就緒狀態(tài)。最后返回，這樣一個任務(wù)就創(chuàng)建成功了。

　　當(dāng)一個任務(wù)將要運行時，便通過取得它的堆棧指針（保存在任務(wù)控制塊中）將這些寄存器出棧裝入CPU 相應(yīng)的位置即可。

　　6.4 如何實現(xiàn)搶占式調(diào)度？

　　基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，也就是最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運行的低優(yōu)先級任務(wù)的處理器資源。為了保證CPU 總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)，每當(dāng)任務(wù)狀態(tài)改變后，即判斷當(dāng)前運行的任務(wù)是否是就緒任務(wù)中優(yōu)先級最高的，否則進行任務(wù)切換。

　　任務(wù)狀態(tài)會在什么時候發(fā)生改變呢？有下面兩種情況：

　　1、高優(yōu)先級的任務(wù)因為需要某種資源或延時，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務(wù)獲得執(zhí)行，這種調(diào)度稱為任務(wù)級的切換。如任務(wù)執(zhí)行OSTimeDly或OSTaskSuspend把自身掛起就屬于這種。

　　2、高優(yōu)先級的任務(wù)因為時鐘節(jié)拍到來，或在中斷處理結(jié)束后，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)更高優(yōu)先級任務(wù)獲得了執(zhí)行條件（如延時的時鐘到時）則在中斷后直接切換到更高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行。這種調(diào)度也稱為中斷級的切換。

　　6.5 掛起/恢復(fù)任務(wù)

　　1掛起任務(wù)

　　通過 OSTaskSuspend可以主動掛起一個任務(wù)。OSTaskSuspend會把任務(wù)從任務(wù)就緒表中移出，最后重新啟動系統(tǒng)調(diào)度。這個函數(shù)可以掛起任務(wù)本身也可以掛起其他任務(wù)。

　　2恢復(fù)任務(wù)（OSTaskResume）

　　可以讓被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 掛起的任務(wù)恢復(fù)就緒態(tài)，然后進行任務(wù)調(diào)度。

　　嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品有哪些特點

　　有人說嵌入式系統(tǒng)就是微電腦，小的計算機。也有人稱嵌入式系統(tǒng)為后PC時代和后網(wǎng)絡(luò)時代的新秀。那么嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通用計算機，數(shù)字產(chǎn)品相比，利用嵌入式技術(shù)的產(chǎn)品有其自己的特點，下面小編詳細(xì)為大家介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)以及其應(yīng)用產(chǎn)品的特點。

　　1．由于嵌入式系統(tǒng)采用的是微處理器，實現(xiàn)相對單一的功能，采用獨立的操作系統(tǒng)，所以往往不需要大量的外圍器件。因而在體積上，功耗上有其自身的優(yōu)勢。相比之下，一個使用WindowsCE的PDA，僅靠機內(nèi)電源就可以使用幾天，而任何一臺筆記本僅僅能夠支持3小時左右。

　　2．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)是將計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，是一門綜合技術(shù)學(xué)科。由于空間和各種資源相對不足，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。

　　3．嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件高度結(jié)合的產(chǎn)物。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。片上系統(tǒng)，板上系統(tǒng)的實現(xiàn)，使得以pda等為代表的這類產(chǎn)品擁有更加熟悉的操作界面和操作方式，比著傳統(tǒng)的商務(wù)通等功能更加完善，實用。

　　4．為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要求配備標(biāo)準(zhǔn)的一種或多種網(wǎng)絡(luò)通信接口。針對外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設(shè)備必需配有通信接口，相應(yīng)需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關(guān)聯(lián)（如防盜報警、燈光能源控制、影視設(shè)備和信息終端交換信息）及實驗現(xiàn)場儀器的協(xié)調(diào)工作等要求，新一代嵌入式設(shè)備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應(yīng)的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅(qū)動軟件。為了支持應(yīng)用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應(yīng)的瀏覽器，如HTML、WML等。

　　5．因為嵌入式系統(tǒng)往往和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)以其集成化，功能化廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。小編認(rèn)為其主要的特點是功能化明確，用途相對具有針對性。嵌入系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)也相對大眾化，不像計算機系統(tǒng)需要龐大的團隊共同開發(fā)。嵌入系統(tǒng)可實現(xiàn)單人開發(fā)，當(dāng)然協(xié)同開發(fā)更佳，其開發(fā)的門檻也相對較低。就因為這些特點，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，是當(dāng)下熱門的職業(yè)選擇。