從零開始構(gòu)建嵌入式實時操作系統(tǒng)—重構(gòu)
1、前言
本人是一個普通的中年程序員，并不是圈內(nèi)的大牛，寫嵌入式操作系統(tǒng)這一系列的文章并不是要顯示自己的技術(shù)，而是出于對嵌入式的熱愛。非常幸運，本人畢業(yè)后的十幾年一直從事嵌入式行業(yè)，遇到過各種坑，也收獲過各種喜悅。希望嵌入式操作系統(tǒng)系列文章能對其它的嵌入式愛好者能有所幫助，幫助熱愛嵌入式行業(yè)的朋友快速了解嵌入式操作系統(tǒng)的運行原理。
我將一步一步地完善我們的嵌入式實時操作系統(tǒng)enuo，每完成一步軟件的構(gòu)建，我將輸出一篇總結(jié)性的文件，來分享軟件構(gòu)建過程，并開源軟件工程和源碼。
操作系統(tǒng)enuo的名字來源于我5歲兒子的伊諾，希望在我的守護下enuo和伊諾都能健康快樂，茁壯成長!
2、設(shè)計背景
書接上文我們完成了一個可以實現(xiàn)任務(wù)切換的軟件工程V0.01版本。V0.01版本的軟件工程中包含：main.c ，startup_ stm32f401xc.s 和 readme三個文件。startup_ stm32f401xc.s 文件為STM32F401的啟動文件，main.c文件實現(xiàn)任務(wù)初始化，任務(wù)切換和任務(wù)輪詢調(diào)度功能，readme文件用于記錄版本修改日志。
V0.01版只能算一個功能驗證型軟件，接下來需要使用正規(guī)的軟件設(shè)計方法來改造和重構(gòu)整個工程，使軟件系統(tǒng)具有較高的擴展性，移植性，復(fù)用性和可讀性。
3、設(shè)計目標(biāo)
首先運用軟件設(shè)計五大原則中的單一原則，建立一個獨立的文件夾enuo用于存放于操作系統(tǒng)相關(guān)的源文件，每個源文件完成一個單一的功能。使用“分而治之”的設(shè)計思維，并將操作系統(tǒng)分為多個功能單一的模塊，每個模塊以一個C文件的形式承載，這樣就提高了軟件的可讀性和移植性。
其次同時使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思維，將任務(wù)設(shè)計為一個抽象的對象，任務(wù)對象將任務(wù)的信息封裝起來，這樣就提高了軟件的擴展性和復(fù)用性。雖然C語言不是面向?qū)ο缶幊陶Z言，但是通過一些設(shè)計技巧可以實現(xiàn)面向?qū)ο笤O(shè)計。
最后構(gòu)建一個任務(wù)鏈表用于加入和刪除任務(wù)。鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以在保留原有物理順序的情況下，高效地插入和刪除。
4、設(shè)計環(huán)境
硬件環(huán)境是使用STM32F401RE為核心的自制開發(fā)板。
軟件環(huán)境是使用的KEIL V5.2 開發(fā)工具。
5、設(shè)計過程
（1）構(gòu)建任務(wù)對象
任務(wù)對象包含一個棧指針和一個任務(wù)鏈表，其定義如下：
任務(wù)棧指針為第一個元素，這樣棧指針就和任務(wù)對象為同一個地址(結(jié)構(gòu)體的第一個元素就是結(jié)構(gòu)體的首地址)，這樣就可以極大的簡化任務(wù)切換過程中對棧指針的操作。
任務(wù)棧指針指向用戶為任務(wù)定義的靜態(tài)數(shù)據(jù)塊，通常情況下任務(wù)棧是一個全局靜態(tài)數(shù)組，數(shù)組的大小就是任務(wù)棧的大小。
任務(wù)鏈表的作用是將多個任務(wù)串聯(lián)起來，方便依次檢索和操作。
（2）構(gòu)建鏈表結(jié)構(gòu)
我們使用鏈表結(jié)構(gòu)來存放任務(wù)對象，使用鏈表結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)勢：
1、在保留原有物理順序的情況下，插入和刪除速度快，效率高。插入和刪除只需要改變幾個指針變量。
2、鏈表中的表項數(shù)量沒有上限。存儲的表項上限只與內(nèi)存空間大小有關(guān)，理論上如果內(nèi)存無限大，鏈表中的表項可以動態(tài)增加到無限個。
3、動態(tài)分配內(nèi)存，需要用多少個表項，就分配幾個表項，不需要預(yù)先分配內(nèi)存，不存在內(nèi)存浪費的情況。
鏈表結(jié)構(gòu)定義如下：
鏈表采用的是數(shù)據(jù)中包含鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用這種方式的優(yōu)點是：當(dāng)用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變時，整個鏈表結(jié)構(gòu)可以保持不變，不同的用戶數(shù)據(jù)可以通用這一個的鏈表結(jié)構(gòu)。示意圖如下：
數(shù)據(jù)中包含鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在操作鏈表后無法得到整個數(shù)據(jù)對象的地址。由下圖可知圖可知我們通過next指針可以得到下一個list元素的地址，但是我們無法獲取整個數(shù)據(jù)對象的地址。
在鏈表結(jié)構(gòu)中增加一個void * owner指針，void * 類型指針可以指向任意類型的對象，用這個指針指向整個數(shù)據(jù)對象的地址,這樣就可以定位到整個數(shù)據(jù)對象的地址。
struct list_node_def
{
struct list_node_def * next; /* 指向下一個列表節(jié)點 */
struct list_node_def * previous; /* 指向上一個列表節(jié)點 */
void *owner; /* 指向鏈表節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */
};
哨兵機制(表頭機制)
哨兵是一個啞對象，作用是簡化邊界條件處理。使用哨兵機制(表頭機制)后鏈表在空狀態(tài)和非空狀態(tài)插入和刪除對象的操作是相同的，這樣可以使得代碼緊湊，清晰。
typedef struct list_def
{
list_node_t *index; /* 索引指針 */
list_node_t head; /* 列表頭 */
} list_t;
（3）任務(wù)初始化
任務(wù)初始化代碼如下：
在創(chuàng)建任務(wù)之前，需要定義任務(wù)?？臻g和用戶任務(wù)函數(shù)：
/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
#define STACK_NUM (64)
/* 任務(wù)0-任務(wù)2?？臻g */
uint32_t task0_stack[STACK_NUM];
uint32_t task1_stack[STACK_NUM];
uint32_t task2_stack[STACK_NUM];
/* 任務(wù)0-任務(wù)2對象*/
task_tcb_t my_task0;
task_tcb_t my_task1;
task_tcb_t my_task2;
void task0(void)
{
static uint16_t clk = 0;
while(1)
{
if( ( ( clk++ )%9999 ) == 0 )
{
task_debug_num0++; /* 測試跟蹤 */
test_function();
}
}
}
task_create函數(shù)代碼如下：
void task_create(task_tcb_t *task , task_function_t function ,uint32_t *stack_space ,uint32_t stack_number)
{
list_node_t * node_tail = &task_list.head;
/* 尋求列表尾端 */
while( node_tail->next != NULL )
node_tail = node_tail->next;
/* 任務(wù)列表加入下一個任務(wù) */
node_tail->next = &task->task_list;
/* 列表所有者指針指向任務(wù) */
task->task_list.owner = task;
/* 當(dāng)前任務(wù)下個列表指針設(shè)置為空 */
task->task_list.next = NULL;
/* 初始化任務(wù)棧 */
task_stack_init( (uint32_t *)task, function , stack_space , stack_number );
}
task_create函數(shù)完成任務(wù)鏈表操作，初始化任務(wù)棧指針和任務(wù)?？臻g。
task_stack_init代碼如下：
void task_stack_init(uint32_t *stack_pointer ,
task_function_t task ,
uint32_t *stack_space ,
uint32_t stack_number)
{
/* 將任務(wù)psp棧指針指向任務(wù)棧底部*/
*stack_pointer = ( (uint32_t)stack_space + ( (stack_number - 16)<<2 ) );
/* 初始化任務(wù)棧中的程序寄存器 */
*( (uint32_t *)( (uint32_t )( *stack_pointer) + (14<<2) ) ) = ( uint32_t )task;
/* 初始化任務(wù)棧中的XPSR*/
*( (uint32_t *)( (uint32_t )( *stack_pointer) + (15<<2) ) ) = 0x01000000;
}
（4）開始調(diào)度任務(wù)
完成任務(wù)創(chuàng)建之后，就可以開始調(diào)度任務(wù)，開始調(diào)度任務(wù)代碼如下：
enuo_schedule函數(shù)代碼如下：
/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
__asm void start_schedule(void)
{
/* 設(shè)置CONTROL寄存器 配置PSP棧指針模式 */
MOV R0 ,#0X02
MSR CONTROL,R0
/*讀取current_task 地址 */
LDR R3, =__cpp(¤t_task)
/* 讀取curr_task中的PSP指針數(shù)值 */
LDR R1,[R3]
LDR R0,[R1]
/* 出棧R4-R11八個寄存器 */
LDMIA R0!,{R4-R11}
/* 設(shè)置PSP指針 */
MSR PSP,R0
/* POP 寄存器 POP PC實現(xiàn)跳轉(zhuǎn) */
POP { R0-R3 , R12 ,R11 ,PC }
/* 對齊 */
ALIGN 4
}
enuo_schedule函數(shù)主要完成3個功能：
- 設(shè)置處理器棧指針模式。
- 讀取current_task 地址。
- 恢復(fù)任務(wù)寄存器，POP PC實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)用戶任務(wù)代碼。
（5）調(diào)度任務(wù)方法
任務(wù)調(diào)度采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，使用SysTick定時器產(chǎn)生定時中斷，在定時器中斷函數(shù)中依次從task_list任務(wù)鏈表中讀取任務(wù)對象，并用next_task指向新讀出的任務(wù)對象，最后掛起PendSV系統(tǒng)中斷標(biāo)志位，當(dāng)SysTick定時器中斷函數(shù)退出時執(zhí)行PendSV_Handler進行任務(wù)切換。
SysTick定時器中斷函數(shù)代碼如下：
/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler(void)
{
static list_node_t * node_tail = &task_list.head;
/* 輪流切換任務(wù) */
if(node_tail->next != NULL )
{
/* 當(dāng)下一個列表項不為NULL時 next_task為下一個列表項指向的任務(wù)*/
next_task = node_tail->next->owner;
/* 更新任務(wù)指針 */
node_tail = node_tail->next;
}
else
{
/* 當(dāng)下一個列表項為NULL時 ，node_tail指向任務(wù)列表的表頭*/
node_tail = &task_list.head;
/* next_task為表頭指向的下一個的任務(wù)*/
next_task = node_tail->next->owner;
node_tail = node_tail->next;
}
/* PendSV系統(tǒng)中斷置位 */
SCB->ICSR |=SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk;
return;
}
（6）任務(wù)切換
任務(wù)切換在PendSV_Handler異常(中斷)中任務(wù)切換。PendSV_Handler函數(shù)代碼如下：
/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
__asm void PendSV_Handler(void)
{
/* 讀取當(dāng)前進程棧指針數(shù)值 */
MRS R0,PSP
//isb
/* 保存R4-R11八個寄存器的值到當(dāng)前任務(wù)棧中 同時將回寫的地址寫入R0 */
STMDB R0!,{R4-R11}
/* 讀取current_task 棧指針地址 */
LDR R3, =__cpp(¤t_task)
LDR R3, [R3]
/* 將當(dāng)前進程PSP指針值 寫入 相應(yīng)的 current_task */
STR R0,[R3]
/* 獲取next_task 棧指針地址 */
LDR R4,=__cpp(&next_task)
LDR R4,[R4]
/* 讀取next_task中的stack_point指針 */
LDR R0,[R4]
/* 更新current_task */
LDR R3, =__cpp(¤t_task)
STR R4,[R3]
/* 出棧 R4-R11八個寄存器 */
LDMIA R0!,{R4-R11}
/* 設(shè)置PSP指針 */
MSR PSP,R0
/* 中斷返回 */
BX LR
/* 對齊 */
ALIGN 4
}
PendSV_Handler函數(shù)完成以下3個功能：
- 進入PendSV_Handler中斷前處理器自動保存了R0,R1,R2,R3, R12,LR,PC,XPSR，進入中斷后完成R4~R11入棧保存工作，從而實現(xiàn)任務(wù)保存工作。
- 讀取current_task 地址將當(dāng)前進程PSP指針值保存到current_task指向的任務(wù)對象中。讀取next_task指向的任務(wù)對象，并加載任務(wù)對象的PSP指針值。
- 出棧 R4-R11八個寄存器，設(shè)置PSP指針。中斷返回時處理器自動保存了R0,R1,R2,R3 ,R12, LR,PC,XPSR，從而實現(xiàn)任務(wù)恢復(fù)工作。
6、運行結(jié)果
代碼仿真運行后的結(jié)果如下：
運行結(jié)果反應(yīng)創(chuàng)建的3個任務(wù)都得到了調(diào)度，說明enuo系統(tǒng)正常工作。
enuo系統(tǒng)目前包括3個文件：
（1）task.h文件
本文件中包含任務(wù)對象的定義，鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和任務(wù)列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。
（2）task.c文件
本文件中包含task_create和enuo_schedule兩個函數(shù)。task.c文件只用于存放與任務(wù)操作相關(guān)的函數(shù)(符合單一原則)。
（3）interface.c文件
本文件中包含SysTick_Handler,PendSV_Handler，start_schedule和task_stack_init三個函數(shù)。interface.c文件只用與存放跟處理器相關(guān)的操作。后期更換處理器時只用修改這個文件即可，增強了系統(tǒng)的移植性。
