一、上篇回顧
上一篇文章中，我們完成了兩個任務使用PendSV實現了互相切換的功能，下面我們接着其思路往下做。這次我們完成OS基本框架，即實現一個非搶占式（已經調度的進程執行完成,然后根據優先級調度等待的進程）的任務調度系統，至於搶占式的，就留給大家思考了。上次代碼中Task_Switch實現了兩個任務的切換，代碼如下：
void Task_Switch() { if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1) g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2; else g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1; OSCtxSw(); }
我們把要切換任務指針付給跟_OS_Tcb_HighRdyP，然后調用OSCtxSw觸發PendSV異常，就實現了任務的切換。如果是多個任務，我們只需找出就緒任務中優先級最大的切換之即可。
二、添加任務調度功能
為了實現這一目標我們至少需要知道任務的狀態和時間等數據。我們定義了一個任務狀態枚舉類型OS_TASK_STA，方便添加修改狀態。在OS_TCB結構體中添加了兩個成員TimeDly和State，TimeDly是為了實現OS_TimeDly，至於State與優先級一起是作為任務切換的依據。
typedef enum OS_TASK_STA { TASK_READY, TASK_DELAY, } OS_TASK_STA; typedef struct OS_TCB { OS_STK *StkAddr; OS_U32 TimeDly; OS_TASK_STA State; }OS_TCB,*OS_TCBP;
說到任務切換，我們必須面對臨界區的問題，在一些臨界的代碼兩端不加臨界區進去和退出代碼，會出現許多意想不到的問題。以下地方需要特別注意，對關鍵的全局變量的寫操作、對任務控制塊的操作等。進入臨界區和退出臨界區需要關閉和開啟中斷，我們采用uCOS中的一部分代碼：
PUBLIC OS_CPU_SR_Save
PUBLIC OS_CPU_SR_Restore
OS_CPU_SR_Save
MRS R0, PRIMASK
CPSID I
BX LR
OS_CPU_SR_Restore
MSR PRIMASK, R0
BX LR
#define OS_USE_CRITICAL OS_U32 cpu_sr; #define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();} #define OS_EXIT_CRITICAL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);} #define OS_PendSV_Trigger() OSCtxSw()
一個OS至少要有任務表，我們可以用數組，當然也可以用鏈表。為了簡單，我們使用數組，使用數組下表作為優先級。當然，必要的地方一定要做數組越界檢查。
#define OS_TASK_MAX_NUM 32 OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM];
為了使OS更完整，我們定義幾個全局變量，OS_TimeTick記錄系統時間，g_Prio_Cur記錄當前運行的任務優先級，g_Prio_HighRdy記錄任務調度后就緒任務中的最高優先級。
OS_U32 OS_TimeTick;
OS_U8 g_Prio_Cur;
OS_U8 g_Prio_HighRdy;
下面三個函數與PendSV一起實現了任務的調度功能。
OS_Task_Switch函數功能：找出已就緒最高優先級的任務，並將其TCB指針賦值給g_OS_Tcb_HighRdyP，將其優先級賦值g_Prio_HighRdy。注意其中使用了臨界區。
void OS_Task_Switch(void) { OS_S32 i; OS_TCBP tcb_p; OS_USE_CRITICAL for(i=0;i<OS_TASK_MAX_NUM;i++) { tcb_p=OS_TCB_TABLE[i]; if(tcb_p == NULL) continue; if(tcb_p->State==TASK_READY) break; } OS_ENTER_CRITICAL(); g_OS_Tcb_HighRdyP=tcb_p; g_Prio_HighRdy=i; OS_EXIT_CRITICAL(); }
OS_TimeDly至當前任務為延時狀態，並將延時時間賦值給當前TCB的TimeDly成員，並調用OS_Task_Switch函數，然后觸發PendSV進行上下文切換。OS_Task_Switch找到就緒狀態中優先級最高的，並將其賦值相關全局變量，作為上下文切換的依據。
void OS_TimeDly(OS_U32 ticks) { OS_USE_CRITICAL OS_ENTER_CRITICAL(); g_OS_Tcb_CurP->State=TASK_DELAY; g_OS_Tcb_CurP->TimeDly=ticks; OS_EXIT_CRITICAL(); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); }
SysTick_Handler實現系統計時，並遍歷任務表，任務若是延時狀態，就令其延時值減一，若減完后為零，就將其置為就緒狀態。
void SysTick_Handler(void) { OS_TCBP tcb_p; OS_S32 i; OS_USE_CRITICAL OS_ENTER_CRITICAL(); ++OS_TimeTick; for(i=0;i<OS_TASK_MAX_NUM;i++) { tcb_p=OS_TCB_TABLE[i]; if(tcb_p == NULL) continue; if(tcb_p->State==TASK_DELAY) { --tcb_p->TimeDly; if(tcb_p->TimeDly == 0) tcb_p->State=TASK_READY; } } OS_EXIT_CRITICAL(); }
當所有任務都沒就緒怎么辦？這時就需要空閑任務了，我們把它設為優先級最低的任務。WFE指令為休眠指令，當來中斷時，退出休眠，然后看看有沒有已就緒的任務，有則調度之，否則繼續休眠，這樣可以減小功耗哦。
void OS_Task_Idle(void) { while(1) { asm("WFE"); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); } }
當一個任務只運行一次時（例如下面main.c的task1），結束時就會調用OS_Task_End函數，此函數會調用OS_Task_Delete函數從任務表中刪除當前的任務，然后調度任務。
void OS_Task_Delete(OS_U8 prio) { if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return; OS_TCB_TABLE[prio]=0; } void OS_Task_End(void) { printf("Task of Prio %d End\n",g_Prio_Cur); OS_Task_Delete(g_Prio_Cur); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); }
三、OS實戰
下面是完整的main.c代碼：
#include "stdio.h" #include "stm32f4xx.h" #define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024 #define TASK_1_STK_SIZE 128 #define TASK_2_STK_SIZE 128 #define TASK_3_STK_SIZE 128 #define TASK_IDLE_STK_SIZE 1024 #define OS_TASK_MAX_NUM 32 #define OS_TICKS_PER_SECOND 1000 #define OS_USE_CRITICAL OS_U32 cpu_sr; #define OS_ENTER_CRITICAL() {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();} #define OS_EXIT_CRITICAL() {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);} #define OS_PendSV_Trigger() OSCtxSw() typedef signed char OS_S8; typedef signed short OS_S16; typedef signed int OS_S32; typedef unsigned char OS_U8; typedef unsigned short OS_U16; typedef unsigned int OS_U32; typedef unsigned int OS_STK; typedef void (*OS_TASK)(void); typedef enum OS_TASK_STA { TASK_READY, TASK_DELAY, } OS_TASK_STA; typedef struct OS_TCB { OS_STK *StkAddr; OS_U32 TimeDly; OS_U8 State; }OS_TCB,*OS_TCBP; OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM]; OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP; OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP; OS_U32 OS_TimeTick; OS_U8 g_Prio_Cur; OS_U8 g_Prio_HighRdy; static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE]; OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase; static OS_TCB TCB_1; static OS_TCB TCB_2; static OS_TCB TCB_3; static OS_TCB TCB_IDLE; static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE]; static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE]; static OS_STK TASK_3_STK[TASK_3_STK_SIZE]; static OS_STK TASK_IDLE_STK[TASK_IDLE_STK_SIZE]; extern OS_U32 SystemCoreClock; extern void OSStart_Asm(void); extern void OSCtxSw(void); extern OS_U32 OS_CPU_SR_Save(void); extern void OS_CPU_SR_Restore(OS_U32); void task_1(void); void task_2(void); void task_3(void); void OS_Task_Idle(void); void OS_TimeDly(OS_U32); void OS_Task_Switch(void); void OS_Task_Create(OS_TCB *,OS_TASK,OS_STK *,OS_U8); void OS_Task_Delete(OS_U8); void OS_Task_End(void); void OS_Init(void); void OS_Start(void); void task_1(void) { printf("[%d]Task 1 Runing!!!\n",OS_TimeTick); OS_Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE-1],5); OS_Task_Create(&TCB_3,task_3,&TASK_3_STK[TASK_3_STK_SIZE-1],7); } void task_2(void) { while(1) { printf("[%d]Task 2 Runing!!!\n",OS_TimeTick); OS_TimeDly(1000); } } void task_3(void) { while(1) { printf("[%d]Task 3 Runing!!!\n",OS_TimeTick); OS_TimeDly(1500); } } void OS_Task_Idle(void) { while(1) { asm("WFE"); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); } } void OS_TimeDly(OS_U32 ticks) { OS_USE_CRITICAL OS_ENTER_CRITICAL(); g_OS_Tcb_CurP->State=TASK_DELAY; g_OS_Tcb_CurP->TimeDly=ticks; OS_EXIT_CRITICAL(); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); } void OS_Task_Switch(void) { OS_S32 i; OS_TCBP tcb_p; OS_USE_CRITICAL for(i=0;i<OS_TASK_MAX_NUM;i++) { tcb_p=OS_TCB_TABLE[i]; if(tcb_p == NULL) continue; if(tcb_p->State==TASK_READY) break; } OS_ENTER_CRITICAL(); g_OS_Tcb_HighRdyP=tcb_p; g_Prio_HighRdy=i; OS_EXIT_CRITICAL(); } void OS_Task_Delete(OS_U8 prio) { if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return; OS_TCB_TABLE[prio]=0; } void OS_Task_End(void) { printf("Task of Prio %d End\n",g_Prio_Cur); OS_Task_Delete(g_Prio_Cur); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); } void OS_Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk,OS_U8 prio) { OS_USE_CRITICAL OS_STK *p_stk; if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return; OS_ENTER_CRITICAL(); p_stk = stk; p_stk = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u); *(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL; //xPSR *(--p_stk) = (OS_STK)task; // Entry Point *(--p_stk) = (OS_STK)OS_Task_End; // R14 (LR) *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL; // R12 *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL; // R3 *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL; // R2 *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL; // R1 *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u; // R0 *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL; // R11 *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL; // R10 *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL; // R9 *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL; // R8 *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL; // R7 *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL; // R6 *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL; // R5 *(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL; // R4 tcb->StkAddr=p_stk; tcb->TimeDly=0; tcb->State=TASK_READY; OS_TCB_TABLE[prio]=tcb; OS_EXIT_CRITICAL(); } void SysTick_Handler(void) { OS_TCBP tcb_p; OS_S32 i; OS_USE_CRITICAL OS_ENTER_CRITICAL(); ++OS_TimeTick; for(i=0;i<OS_TASK_MAX_NUM;i++) { tcb_p=OS_TCB_TABLE[i]; if(tcb_p == NULL) continue; if(tcb_p->State==TASK_DELAY) { --tcb_p->TimeDly; if(tcb_p->TimeDly == 0) tcb_p->State=TASK_READY; } } OS_EXIT_CRITICAL(); } void OS_Init(void) { int i; g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1; asm("CPSID I"); for(i=0;i<OS_TASK_MAX_NUM;i++) OS_TCB_TABLE[i]=0; OS_TimeTick=0; OS_Task_Create(&TCB_IDLE,OS_Task_Idle,&TASK_IDLE_STK[TASK_IDLE_STK_SIZE-1],OS_TASK_MAX_NUM-1); } void OS_Start(void) { OS_Task_Switch(); SystemCoreClockUpdate(); SysTick_Config(SystemCoreClock/OS_TICKS_PER_SECOND); OSStart_Asm(); } int main() { OS_Init(); OS_Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1],2); OS_Start(); return 0; }
os_port.asm變化不大，具體內容可以下載文章末尾提供的工程參考。
老規矩，下載調試，全速運行，觀察Terminal IO窗口：
從輸出來看，我們已經完成了目標。但不保證穩定性，可能有不少Bugs。至此，可以說其實寫一個OS並不難，難的是寫一個穩定安全高效的OS。所以，現在只是走了一小步，想要完成一個成熟的OS，還需要不斷測試，不斷優化。例如，我們采用數組存儲任務表，也可以采用鏈表，各有優缺點。我們只有一個任務表，也可以分成多個表，例如就續表，等待表等等。我們的任務調度部分運行時間不確定，對於實時OS，這是不可以的，怎么修改呢，例如像uCOS的查找表法那樣。現在我們的系統只能創建並調度任務，還未加入其他功能，例如信號量、郵箱、隊列、內存管理等。其實到了這里，大家完全可以發揮自己的創造力，參照本文開發自己的OS。如果以后有時間的話，還會再寫幾篇文章繼續完善我們的OS。
四、工程下載