《30天自制操作系统》笔记(12)——多任务入门

《30天自制操作系统》笔记(12)——多任务入门

进度回顾

上一篇介绍了设置显示器高分辨率的方法。本篇讲一下操作系统实现多任务的方法。

什么是多任务

对程序员来说，也许这是废话，不过还是说清楚比较好。

多任务就是让电脑同时运行多个程序（如一边写代码一边听音乐一边下载电影）。

电脑的CPU只有固定有限的那么一个或几个，不可能真的同时运行多个程序。所以就用近似的方式，让多个程序轮换着运行。当轮换速度够快（0.01秒），给人的感觉就是"同时"运行了。

 

多任务之不实用版

我们首先从最基本的想法开始，做一个不实用版的多任务作为例子。在学习这个例子的过程中引入真正的多任务必须的TSS、TR、far模式JMP的概念，为后续内容打基础。

当你向CPU发出任务切换的指令时，CPU会先把寄存器中的值全部写入内存某处；然后，从内存另一位置把所有寄存器的值读取出来。这就完成了一次任务切换。

任务切换消耗的时间就是读写内存消耗的时间，大概为0.0001秒。

任务状态段TSS

存取全部寄存器的值这件事，当然需要有一个数据结构，这就是"任务状态段"(Task Status Segment)简称TSS。

struct TSS32
{
    int backlink, esp0, ss0, esp1, ss1, esp2, ss2, cr3;
    int eip, eflags, eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi;
    int es, cs, ss, ds, fs, gs;
    int ldtr, iomap;
};

TSS32中第一行（从backlink到cr3）暂时不用理会。

第二、三行（从eip到gs）都是寄存器。其中EIP是CPU用来记录下一条需要执行的指令位于内存中的地址的寄存器，因此被称为"指令指针"。实际上JMP指令就是修改了EIP的值。

第四行也不用理会。

TSS中的信息会存储到内存某处（记为X），而X的地址会注册到GDT中。（不知道什么是GDT？请查看这里）

寄存器TR

寄存器TR是作用是让CPU记住当前在运行哪个任务。其存储的值是"当前任务所在的段号*8"。只需在操作系统启动时对其赋值一次，以后进行任务切换时，CPU会自动调整TR的值。给TR赋值只能用汇编实现。

_load_tr:        ; void load_tr(int tr);
        LTR        [ESP+4]            ; tr
        RET

LTR指令只是改变TR的值，不会发生任务切换。所以我感觉TR像是一个标识变量。正是由于这一点我才有了后文的猜想。

 

切换任务就是执行JMP指令

JMP指令分两种，即"只改写EIP的near模式"与"同时改写EIP和CS的far模式"。CS是代码段寄存器(code segment)。

平时使用的都是near模式。

在asmhead.nas中跳转到bootpack.c中的主函数用的是far模式，即

 JMP DWORD 2 * 8: 0x0000001b  

这条指令在向EIP写入0x1b时，也向CS写入2*8（即16）。

像这样在JMP目标地址中带冒号（:）的，就是far模式。

切换任务时，我们使用far模式的JMP指令。

CPU执行far模式的JMP指令前，会根据GDT中注册的TSS情况，判断JMP的目标地址是可执行代码还是TSS。如果是可执行代码，那么CPU就认为这只是一个普通的far模式的JMP；如果是TSS，则认为这是一个任务切换指令，会切换到目标地址指定的TSS所记录的任务中，也就是JMP到另一个任务那里去了。

所以普通的far模式的JMP和任务切换的JMP指令，其机器码是同一个。

Demo：两个任务切换

我们把操作系统启动时运行的程序记作任务A，即如下代码。

void HariMain(void)
{
    /* 略 */
    timer_ts = timer_alloc();
    timer_init(timer_ts, &fifo, 2);
    timer_settime(timer_ts, 2);
    /* 略 */
    for (;;) {
        io_cli();
        if (fifo32_status(&fifo) == 0) {
            io_stihlt();
        } else {
            i = fifo32_get(&fifo);
            io_sti();
            if (i == 2) {
                farjmp(0, 4 * 8);
                timer_settime(timer_ts, 2);
            } else if (256 <= i && i <= 511) { /* 键盘数据 */
                /* 略 */
            } else if (512 <= i && i <= 767) { /* 鼠标数据 */
                /* 略 */
            } else if (i == 10) { /* 10秒计时器 */
                putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 64, COL8_FFFFFF, COL8_008484, "10[sec]", 7);
            } else if (i == 3) { /* 3秒计时器 */
                putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 80, COL8_FFFFFF, COL8_008484, "3[sec]", 6);
            } else if (i <= 1) { /* 光标用计时器 */
                /* 略 */
            }
        }
    }
}

下面是任务B执行的函数。

void task_b_main(void)
{
    struct FIFO32 fifo;
    struct TIMER *timer_ts;
    int i, fifobuf[128];

    fifo32_init(&fifo, 128, fifobuf);
    timer_ts = timer_alloc();
    timer_init(timer_ts, &fifo, 1);
    timer_settime(timer_ts, 2);

    for (;;) {
        io_cli();
        if (fifo32_status(&fifo) == 0) {
            io_sti();
            io_hlt();
        } else {
            i = fifo32_get(&fifo);
            io_sti();
            if (i == 1) { /* 任务切换 */
                farjmp(0, 3 * 8);
                timer_settime(timer_ts, 2);
            }
        }
    }
}

任务A执行0.02秒后就进入farjmp(0, 4 * 8);，从而自行切换到任务B，任务B执行0.02秒后就进入farjmp(0, 3 * 8);，从而自行切换到任务A。周而复始。

像这种在应用代码中编写任务切换的方式，明显不实用。不过用于研究多任务还是很方便的。

多任务截图没有意义，就此作罢。

 

真正的多任务

大体上说，实现多任务的方法就是利用前面提到的定时器PIT(Programmable Interval Timer)能够定时产生中断的功能，在其中断处理函数中实现任务切换的目的。

时间片轮转调度算法是一种最基本的任务调度算法，它让每个任务依次执行相同的一段时间（如0.01秒）。在此基础上，可以为任务添加"休眠"、"优先级"等功能和属性，根据属性值调整执行时间和执行顺序。

void inthandler20(int *esp)
{
    /* 略 */
    char ts = 0;
    for (;;) {
        /* timers的计时器全部在工作中，因此不用确认flags */
        if (timer->timeout > timerctl.count) {
            break;
        }
        /* 超时 */
        timer->flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;
        if (timer != mt_timer) {
            fifo32_put(timer->fifo, timer->data);
        } else {
            ts = 1; /* mt_timer超时 */
        }
        timer = timer->next; /* 将下一个计时器的地址赋给timer */
    }
    timerctl.t0 = timer;
    timerctl.next = timer->timeout;
    if (ts != 0) {
        mt_taskswitch();
    }
    return;
}
void mt_taskswitch(void)
{/* demo演示只有两个固定任务的切换过程 */
    if (mt_tr == 3 * 8) {
        mt_tr = 4 * 8;
    } else {
        mt_tr = 3 * 8;
    }
    timer_settime(mt_timer, 2);
    farjmp(0, mt_tr);
    return;
}

为了简化非核心代码，我用demo版的mt_taskswitch(void)代替了有复杂数据结构的真实版本，这样方便理解整个代码的原理。其中的farjmp是用汇编实现的。

_farjmp:        ; void farjmp(int eip, int cs);
        JMP        FAR    [ESP+4]                ; eip, cs
        RET

根据C语言编译器的规则，调用这个farjmp函数时，在[ESP+4]处存放了EIP的值，在 [ESP+8]处存放了CS的值。给eip赋值0，给cs赋值要切换到的任务所在的段号（乘8），就可以正确调用farjmp。

一般发生JMP后，不会执行后面的RET指令了。但是，执行任务切换的JMP后，再返回这个任务的时候，程序会从JMP指令之后的地方恢复运行，也就是JMP后面这个RET指令会被执行。因此这里的RET必不可少。

任务切换的时机

我提出一个问题，任务切换是在farjmp中执行JMP FAR [ESP+4]时发生的吗？

从不实用版的代码看来，答案应该是"是"。因为确实在任务A执行了farjmp中的JMP FAR [ESP+4]指令后切换到了任务B，之后切换回任务A时，又从JMP FAR [ESP+4]指令后面的RET指令开始执行了。

但是在真正的多任务中，CPU调用中断处理函数，在inthandler20中执行了farjmp中的JMP FAR [ESP+4]。如果答案是"是"，那么此时就会从中断处理函数中切换到另一个任务A中了。

可是，还会不会切换回中断处理函数inthandler20呢？

如果会，那么中断处理函数不就也成了一个任务吗？

如果会，那么中断处理函数函还没有return不就中断了吗？此时再来一个中断的话，会怎么样呢？栈就乱套了。

如果不会，那么中断处理函数最前面用汇编写的PUSH各种寄存器的指令就没有相应的POP指令了呀，时间一长栈就溢出了呀。这明显不对。

所以，我猜想只有一种情况是可行的。那就是：farjmp中的JMP FAR [ESP+4]指令并没有完成任务切换，它只是让CPU记录了一个标识（比如上文的寄存器TR的作用），标识应该运行的任务是X。然后，当CPU完成中断处理函数，再次执行某个任务A中的指令时，它会发现"现在应该执行任务X"中的指令了，所以它就切换到任务X中去。任务切换实际上此时才完成。

我查了一些资料，只能暂时作此猜想。

多任务优化

为了提高多任务运行效率，下面就对其进行优化。

休眠和唤醒

"休眠"就是从tasks链表中去掉一个任务A，"唤醒"就是把这个任务A重新加入tasks链表。

休眠的时机：任务A的消息队列为空（没有待处理的消息）时。

唤醒的时机：任务A的消息队列获得新的消息时。

任务优先级

把任务分到Level0、Level1、Level2这三个层中的一个，当Level0有活动的任务（非休眠状态）时，只在Level0的任务间切换。当Level0没有任务或均处于休眠状态时，在Level1的任务间切换。Level2同理。

闲置任务

这与"哨兵"的思路相同。就是在Level2中添加一个只HLT的任务。如果操作系统里没有其他任何任务的话，就会执行这个"哨兵"任务，即HLT掉（直至有中断发生）。

哨兵的好处就是简化代码，使得逻辑处理没有特殊情况。

总结

操作系统利用CPU的far模式的JMP指令、寄存器TR、GDT、TSS和PIT中断这些功能实现了多任务，可见CPU在设计时就考虑到了计算机要具有多任务处理的能力。也就是说，CPU、PIC等硬件支持什么功能，操作系统才能实现什么功能。这又肯定了硬件为操作系统提供API的看法。

 

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