一步步写STM32 OS【四】OS基本框架
一、上篇回顾
上一篇文章中，我们完成了两个任务使用PendSV实现了互相切换的功能，下面我们接着其思路往下做。这次我们完成OS基本框架，即实现一个非抢占式（已经调度的进程执行完成,然后根据优先级调度等待的进程）的任务调度系统，至于抢占式的，就留给大家思考了。上次代码中Task_Switch实现了两个任务的切换，代码如下：
void Task_Switch() { if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1) g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2; else g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1; OSCtxSw(); }
我们把要切换任务指针付给跟_OS_Tcb_HighRdyP，然后调用OSCtxSw触发PendSV异常，就实现了任务的切换。如果是多个任务，我们只需找出就绪任务中优先级最大的切换之即可。
二、添加任务调度功能
为了实现这一目标我们至少需要知道任务的状态和时间等数据。我们定义了一个任务状态枚举类型OS_TASK_STA，方便添加修改状态。在OS_TCB结构体中添加了两个成员TimeDly和State，TimeDly是为了实现OS_TimeDly，至于State与优先级一起是作为任务切换的依据。
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;
说到任务切换，我们必须面对临界区的问题，在一些临界的代码两端不加临界区进去和退出代码，会出现许多意想不到的问题。以下地方需要特别注意，对关键的全局变量的写操作、对任务控制块的操作等。进入临界区和退出临界区需要关闭和开启中断，我们采用uCOS中的一部分代码：
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()
一个OS至少要有任务表，我们可以用数组，当然也可以用链表。为了简单，我们使用数组，使用数组下表作为优先级。当然，必要的地方一定要做数组越界检查。
#define OS_TASK_MAX_NUM 32 OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM];
为了使OS更完整，我们定义几个全局变量，OS_TimeTick记录系统时间，g_Prio_Cur记录当前运行的任务优先级，g_Prio_HighRdy记录任务调度后就绪任务中的最高优先级。
OS_U32 OS_TimeTick;
OS_U8 g_Prio_Cur;
OS_U8 g_Prio_HighRdy;
下面三个函数与PendSV一起实现了任务的调度功能。
OS_Task_Switch函数功能：找出已就绪最高优先级的任务，并将其TCB指针赋值给g_OS_Tcb_HighRdyP，将其优先级赋值g_Prio_HighRdy。注意其中使用了临界区。
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至当前任务为延时状态，并将延时时间赋值给当前TCB的TimeDly成员，并调用OS_Task_Switch函数，然后触发PendSV进行上下文切换。OS_Task_Switch找到就绪状态中优先级最高的，并将其赋值相关全局变量，作为上下文切换的依据。
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实现系统计时，并遍历任务表，任务若是延时状态，就令其延时值减一，若减完后为零，就将其置为就绪状态。
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(); }
当所有任务都没就绪怎么办？这时就需要空闲任务了，我们把它设为优先级最低的任务。WFE指令为休眠指令，当来中断时，退出休眠，然后看看有没有已就绪的任务，有则调度之，否则继续休眠，这样可以减小功耗哦。
void OS_Task_Idle(void) { while(1) { asm("WFE"); OS_Task_Switch(); OS_PendSV_Trigger(); } }
当一个任务只运行一次时（例如下面main.c的task1），结束时就会调用OS_Task_End函数，此函数会调用OS_Task_Delete函数从任务表中删除当前的任务，然后调度任务。
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实战
下面是完整的main.c代码：
#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变化不大，具体内容可以下载文章末尾提供的工程参考。
老规矩，下载调试，全速运行，观察Terminal IO窗口：
从输出来看，我们已经完成了目标。但不保证稳定性，可能有不少Bugs。至此，可以说其实写一个OS并不难，难的是写一个稳定安全高效的OS。所以，现在只是走了一小步，想要完成一个成熟的OS，还需要不断测试，不断优化。例如，我们采用数组存储任务表，也可以采用链表，各有优缺点。我们只有一个任务表，也可以分成多个表，例如就续表，等待表等等。我们的任务调度部分运行时间不确定，对于实时OS，这是不可以的，怎么修改呢，例如像uCOS的查找表法那样。现在我们的系统只能创建并调度任务，还未加入其他功能，例如信号量、邮箱、队列、内存管理等。其实到了这里，大家完全可以发挥自己的创造力，参照本文开发自己的OS。如果以后有时间的话，还会再写几篇文章继续完善我们的OS。
四、工程下载
