1、前言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是其具備低功耗技術(shù)的特點(diǎn)得到人們的重視。隨著工信部提出NB-IoT基站建設(shè)具體目標(biāo)、三大運(yùn)營(yíng)商加速建設(shè)，即將迎來萬物互聯(lián)的新時(shí)代，這是信息產(chǎn)業(yè)繼移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之后的下一個(gè)萬億級(jí)市場(chǎng)，這些為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將會(huì)部署到越來越多的設(shè)備中，這就要求工程師深入地了解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本系列文章將和大家一起從零開始構(gòu)建一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，我將用最簡(jiǎn)單直白的方式一步一步搭建，我將用一篇文章的方式來總結(jié)搭建中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)階段，并開源軟件工程和源代碼。

2、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)特殊的程序，是一個(gè)支持多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是“實(shí)時(shí)性”，如果有一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)立即執(zhí)行該任務(wù)，不會(huì)有較長(zhǎng)的延時(shí)。典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有uCOS ，RT-Thread，F(xiàn)reeRTOS ，VxWorks，WinCE等。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)特殊的程序(通常稱為內(nèi)核)，它可以創(chuàng)建和控制所有任務(wù)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)除了包含一個(gè)內(nèi)核以外，還提供其他服務(wù)，如文件系統(tǒng)，協(xié)議棧，圖形用戶界面等。本文的重點(diǎn)在于了解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作原理和結(jié)構(gòu)，因此文中提到的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常指的是操作系統(tǒng)內(nèi)核。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核通常要占用5%左右的CPU運(yùn)行時(shí)間，另外內(nèi)核是一個(gè)軟件代碼，需要額外占用ROM空間和RAM空間。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系主要由以下3個(gè)子系統(tǒng)組成：

• 任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)
• 任務(wù)通信子系統(tǒng)
• 內(nèi)存管理子系統(tǒng)

3、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

本文講解構(gòu)建嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)階段：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的任務(wù)切換功能。

代碼區(qū)的數(shù)據(jù)是不變的，處理器寄存器的值和?？臻g的值決定程序運(yùn)行狀態(tài)。讓每個(gè)任務(wù)“獨(dú)享”一個(gè)?？臻g，當(dāng)我們將任務(wù)運(yùn)行時(shí)的處理器寄存器的值保存起來時(shí)，這樣就實(shí)現(xiàn)保存任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)。同樣的當(dāng)我們把保存的任務(wù)運(yùn)行時(shí)的處理器寄存器的值裝載到處理的寄存器中時(shí)，這樣就恢復(fù)了任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行起來。

切換任務(wù)的原理是：每個(gè)任務(wù)有一個(gè)“獨(dú)享”棧空間，通過保存和裝載任務(wù)運(yùn)行時(shí)的處理器寄存器的值，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的暫停和恢復(fù)運(yùn)行。暫停一個(gè)任務(wù)后再恢復(fù)另外一個(gè)任務(wù)就完成了一次任務(wù)切換。

任務(wù)代碼，任務(wù)?？臻g和處理器狀態(tài)如下圖：

4、實(shí)驗(yàn)環(huán)境

硬件是基于意法半導(dǎo)體的STM32F401(ARM公司的Cortex-M4內(nèi)核)，軟件開發(fā)使用的是KEIL V5.2 開發(fā)工具。

軟件工程如下：

軟件工程中包含：main.c ，startup_stm32f401xc.s 和 readme三個(gè)文件。startup_stm32f401xc.s文件為STM32F401的啟動(dòng)文件，main.c文件實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換功能，readme文件用于記錄版本修改日志。

5、代碼實(shí)現(xiàn)

切換任務(wù)的原理是讓每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)“獨(dú)享”?？臻g，通過保存和裝載任務(wù)運(yùn)行時(shí)的處理器寄存器的值，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的暫停和恢復(fù)運(yùn)行。暫停一個(gè)任務(wù)后再恢復(fù)另外一個(gè)任務(wù)就完成了一次任務(wù)切換。

因此需要實(shí)現(xiàn)：

• 每個(gè)任務(wù)的獨(dú)立?？臻g。
• 實(shí)現(xiàn)任務(wù)的暫停和恢復(fù)。
• 實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度。

（1）實(shí)現(xiàn)獨(dú)立?？臻g

棧空間代碼如下：

為每個(gè)任務(wù)定義一個(gè)靜態(tài)數(shù)組，當(dāng)任務(wù)運(yùn)行時(shí)將處理器的棧指針指向任務(wù)“自己的”靜態(tài)數(shù)組，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立?？臻g。棧空間用來存放局部變量，中斷調(diào)用和函數(shù)調(diào)用時(shí)的處理器寄存器的值。任務(wù)切換時(shí)需要將處理器寄存器的值保存到任務(wù)的獨(dú)立棧空間。

在保存任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)需要保存處理器寄存器值到棧空間，因此需要深入了解處理器寄存器的用途和出入棧順序，Cortex-M4內(nèi)核的寄存器和寄存器中斷自動(dòng)入棧的順序圖如下：

初始化?？臻g的代碼如下：

?？臻g初始化后的狀態(tài)如下：

棧是一中先入后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Cortex-M4內(nèi)核的棧操作方式倍設(shè)置成了向下生長(zhǎng)。psp_array用于保存任務(wù)棧指針，psp_array[0]任務(wù)0棧指針指向task0_stack[112]，其中task0_stack[116]保存PC程序指針值，task0_stack[117]保存狀態(tài)寄存器(符合Cortex-M4內(nèi)核寄存器出棧順序：手動(dòng)出棧8個(gè)寄存器，硬件自動(dòng)出棧8個(gè)寄存器)。

（2）實(shí)現(xiàn)任務(wù)的暫停和恢復(fù)

代碼如下：

cortex-M4內(nèi)核有一個(gè)PendSV(可掛起的系統(tǒng)調(diào)用)異常，其異常編號(hào)為14并且具有可編程的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)軟件將PendSV設(shè)置成掛起時(shí)，程序?qū)⑦M(jìn)入PendSV異常(中斷)。

將PendSV異常優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最低，其它中斷函數(shù)都可以得到正常響應(yīng)，不會(huì)受到PendSV異常影響，在PendSV異常中執(zhí)行任務(wù)切換，時(shí)序框圖如下：

PendSV_Handler為Cortex-M4內(nèi)核中斷服務(wù)函數(shù)，進(jìn)入中斷函數(shù)時(shí)處理器自動(dòng)保存了R0,R1,R2,R3, R12,LR,PC,XPSR,在PendSV_Handler中斷程序中完成R4~R11入棧保存工作，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)保存工作。

/* 讀取當(dāng)前進(jìn)程棧指針數(shù)值 */
MRS R0,PSP                          
/* 保存R4-R11八個(gè)寄存器的值到當(dāng)前任務(wù)棧中  同時(shí)將回寫的地址寫入R0 */
STMDB R0!,{R4-R11} 

psp_array[0]為任務(wù)0的棧指針， psp_array[1]為任務(wù)1的棧指針。以下代碼實(shí)現(xiàn)任務(wù)棧指針切換。

/* 讀取psp_array 地址 */
LDR R3, =__cpp(&psp_array)         
/* 將當(dāng)前進(jìn)程PSP指針值 寫入 相應(yīng)的 PSP_array 位置  */
STR  R0,[R3,R2,LSL #2]             
/* 獲取下個(gè)進(jìn)程序號(hào) */
LDR R4,=__cpp(&next_task)          
LDR R4,[R4]
/* R1為&curr_task   將下個(gè)進(jìn)程序號(hào)寫入curr_task中 */
STR R4,[R1]                        
/* psp_array讀取更新后的curr_task的PSP指針數(shù)值 */
LDR R0,[R3,R4,LSL #2] 

在PendSV_Handler中斷程序中完成R4~R11寄存器出棧，PendSV_Handler中斷程序返回時(shí)處理器自動(dòng)出棧R0,R1,R2,R3, R12,LR,PC,XPSR，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)恢復(fù)工作。

/* 出棧 R4-R11八個(gè)寄存器 */
LDMIA R0!,{R4-R11}                 
/* 設(shè)置PSP指針 */
MSR PSP,R0  
/* 中斷返回 */
BX LR 

（3）實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度

任務(wù)調(diào)度的代碼如下：

SysTick_Handler為定時(shí)器中斷程序，實(shí)現(xiàn)時(shí)間片輪流改變目標(biāo)任務(wù)，并掛起PendSV_Handle中斷，退出SysTick_Handler中斷程序時(shí)進(jìn)入PendSV_Handle中斷程序。

6、運(yùn)行結(jié)果

代碼仿真運(yùn)行如下：

運(yùn)行代碼后task_num0和task_num1這兩個(gè)變量依次自加，代碼實(shí)現(xiàn)任務(wù)輪流切換功能。