简易多任务OS设计

多任务抢占式调度器1本文档以ARM9（三星2410/2440）为平台，介绍一个多任务抢占式调度器------抢占式任务调度，提供延时,挂起,恢复任务操作。最精简化，没有加入信号量邮箱等同步通信机制。只实现一个基本任务调度器的功能。虽然不能称为操作系统，但已体现了小型嵌入式操作系统的精髓。OS代码不到1.5K，核心函数只有几个，思路简单明了。比起UCOS，更适合用作多任务系统原理的学习入门。对初学者来说，看UCOS的源代码很容易迷糊。回想初学嵌入式多任务系统时，什么都不懂，JeanJ.Labrosse的经典之作《嵌入式实时操作系统uc/osII》看得我一头雾水。事实上，使我对多任务的原理印象最深的是网上的一篇文章----《建立一个属于自己的AVR的RTOS》。学习就应该这样，循序渐进。把一步步把简单的东西弄懂了，便没有复杂的了，所谓水到渠成。这篇文章是面对初学者的，把很多问题简化了。希望对刚接触嵌入式多任务系统的兄弟有所帮助。必定存在不少bug，欢迎指正。多任务抢占式调度器2简易多任务OS设计-------ARM9上运行的简单多任务调度器Bylisuwei这里提供一个简易的多任务抢占任务调度器供大家学习。虽然太简单不实用，但对理解多任务抢占式调度的原理是很有益处的。先直观地看一下多任务系统中的代码与单任务程序（前后台系统）的区别。Main.cintMain(void){TargetInit();//初始化目标板OSInit();//初始化操作系统OSTaskCreate(Task0,&StackTask0[StackSizeTask0-1],PrioTask0);//创建一个任务Uart_Printf(ReadytostartOS\n);OSStart();//运行操作系统return0;//程序不会运行至此}voidTask0(void){TargetStart();//设置中断向量，启动操作系统的硬件定时器中断Uart_Printf(StartOS\n);//创建其他任务OSTaskCreate(Task1,&StackTask1[StackSizeTask1-1],PrioTask1);OSTaskCreate(Task2,&StackTask2[StackSizeTask2-1],PrioTask2);OSTaskCreate(Task3,&StackTask3[StackSizeTask2-1],PrioTask3);while(1){Uart_Printf(Task0\n);OSTimeDly(100);//1秒运行一次}}voidTask1(void){while(1){Uart_Printf(Task1\n);OSTimeDly(300);//3秒运行一次}}多任务抢占式调度器3voidTask2(void){while(1){Uart_Printf(Task2\n);OSTaskSuspend(PrioTask2);//使自己进入挂起状态}}voidTask3(void){while(1){Uart_Printf(ResumeTask2\n);OSTaskResume(PrioTask2);//恢复任务2OSTimeDly(800);}}程序中创建了四个任务，任务0每1秒运行一次，任务1每3秒运行一次，任务2运行一次即把自己挂起，任务3每8秒运行一次并把任务2恢复。在终端的运行结果如下图：多任务抢占式调度器4什么是多任务系统？就像我们用电脑时可以同时听歌，上网，编辑文档等。在多任务系统中，可以同时执行多个并行任务，各个任务之间互相独立。通过操作系统执行任务调度而实现宏观上的“并发运行”。从宏观上不同的任务并发运行，好像每个任务都有自己的CPU一样。其实在单一CPU的情况下，是不存在真正的多任务机制的，存在的只有不同的任务轮流使用CPU，所以本质上还是单任务的。但由于CPU执行速度非常快，加上任务切换十分频繁并且切换的很快，所以我们感觉好像有很多任务同时在运行一样。这就是所谓的多任务机制。多任务的最大好处是充分利用硬件资源，如在单任务时（大循环结构，如大部分51程序）遇到delay函数时，CPU在空转；而在多任务系统，遇到delay或需等待资源时系统会自动运行下一个任务，等条件满足再回来运行先前的任务，这样就充分利用了CPU，提高了效率。任务有下面的特性：l动态性。任务并不是随时都可以运行的，而一个已经运行的任务并不能保证一直占有CPU直到运行完。一般有就绪态，运行态，挂起态等。运行态。一个运行态的任务是一个正在使用CPU的任务。任何时刻有且只有一个运行着的任务。就绪态。一个就绪态任务是可运行的，等待占有CPU的任务释放CPU。挂起态。某些条件不满足而挂起不能运行的状态。任务三种状态转换图下面我们来分析代码是如何实现状态转换的。RTOS.hINT32UOSRdyTbl;/*就绪任务表*/上面定义一个32位变量，每一位代表一个任务，0表示挂起状态，1表示就绪状态。它记录了各任务的就绪与否状态，称它为就绪表。OSRdyTbl定义为32位变量，对应32个任务。当然，定义为64位的话，便最多能支持64个任务。多任务抢占式调度器5这样，可以定义两个宏，实现把任务的状态变为就绪或挂起态。RTOS.h/*在就绪表中登记就绪任务*/#defineOSSetPrioRdy(prio)\{\OSRdyTbl|=0x01prio;\}/*从就绪表中删除任务*/#defineOSDelPrioRdy(prio)\{\OSRdyTbl&=~(0x01prio);\}TIPS：为了增加程序可移植性和直观性，代码中常使用重定义的数据类型。在def.h中有typedefunsignedcharBOOLEAN;typedefunsignedcharINT8U;/*Unsigned8bitquantity*/typedefsignedcharINT8S;/*Signed8bitquantity*/typedefunsignedintINT16U;/*Unsigned16bitquantity*/typedefsignedintINT16S;/*Signed16bitquantity*/typedefunsignedlongINT32U;/*Unsigned32bitquantity*/typedefsignedlongINT32S;/*Signed32bitquantity*/l独立性。任务之间互相独立，不存在互相调用的关系。所有任务在逻辑上都是平等的。由于任务之间互相看不见，所以他们之间的信息传输就无法当面完成。这就需要各种通信机制如信号量，消息邮箱，队列等来实现。l并发性。由同一个处理器轮换地运行多个程序。或者说是由多个程序轮班地占用处理器这个资源。且在占用这个资源期间，并不一定能够把程序运行完毕。多任务抢占式调度器6什么是抢占式调度？调度的概念，通俗的说就是系统在多个任务中选择合适的任务执行。系统如何知道何时该执行哪个任务？可以为每个任务安排一个唯一的优先级别，当同时有多个任务就绪时，优先运行优先级较高的任务。同时，任务的优先级也作为任务的唯一标识号。代码中都是对标识号来完成对任务的操作的。如OSDelPrioRdy(prio)，OSSetPrioRdy(prio)等。不同的优先级对应就绪表中的每一位。低位对应高优先级。优先级0的优先权最高，优先级31的优先权最低。在程序中要为每一个任务分配一个唯一的优先级。Main.c///**************定义任务优先级*************///#definePrioTask00#definePrioTask11#definePrioTask22#definePrioTask33所谓“抢占式调度”是指：一旦就绪状态中出现优先权更高的任务，便立即剥夺当前任务的运行权，把CPU分配给更高优先级的任务。这样CPU总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务。在程序中查找最高优先级的任务代码如下：RTOS.h/*在就绪表中查找更高级的就绪任务*/#defineOSGetHighRdy()\{\for(OSNextTaskPrio=0;\(OSNextTaskPrioOS_TASKS)&&(!(OSRdyTbl&(0x01OSNextTaskPrio)));\OSNextTaskPrio++);\OSPrioHighRdy=OSNextTaskPrio;\}TIPS：使用这种算法来查找最高优先级的系统严格来说不能称为实时系统。实时系统的特征是延时可预测，能够在一个规定的时间内(通常是ms级别的)对某些信号做出反应。这种算法的延时随任务的数量的改变而不同，但却是最简便的。多任务抢占式调度器7多任务系统的时间管理与人一样，多任务系统也需要一个“心跳”来维持其正常运行，这个心跳叫做时钟节拍，通常由定时器产生一个固定周期的中断来充当，频率一般为50-100Hz。在TargetInit.c文件中有下面的定时器0初始化函数，T0用作系统心跳计时，产生时钟节拍。RTOS.h#defineOS_TICKS_PER_SEC100/*设置一秒内的时钟节拍数*/TargetInit.cvoidStartTicker(INT32UTicksPerSec){rTCFG0=99;//Prescaler0=99rTCFG1=0x03;//SelectMUXinputforPWMTimer0:divider=16rTCNTB0=31250/TicksPerSec;//设置中断频率rTCON|=(11);//Timer0manualupdaterTCON=0x09;//Timer0autoreloadon//Timer0outputinverteroff//清Timer0manualupdate//Timer0start*/BIT_CLR(rINTMSK,BIT_TIMER0);//EnableWatchDoginterrupts}OSTimeDly函数就是以时钟节拍为基准来延时的。这个函数完成功能很简单，就是先挂起当起当前任务，设定其延时节拍数，然后进行任务切换，在指定的时钟节拍数到来之后，将当前任务恢复为就绪状态。任务必须通过OSTimeDly或OSTaskSuspend让出CPU的使用权，使更低优先级任务有机会运行。RTOS.cvoidOSTimeDly(INT32Uticks){if(ticks0)/*当延时有效*/{OS_ENTER_CRITICAL();OSDelPrioRdy(OSPrioCur);/*把任务从就绪表中删去*/TCB[OSPrioCur].OSTCBDly=ticks;/*设置任务延时节拍数*/OS_EXIT_CRITICAL();OSSched();/*重新调度*/}}多任务抢占式调度器8在T0的中断服务函数中，依次对各个延时任务的延时节拍数减1。若发现某个任务的延时节拍数变为0，则把它从挂起态置为就绪态。RTOS.cvoidTickInterrupt(void){staticINT8Ui;OSTime++;//Uart_SendByte('I');for(i=0;iOS_TASKS;i++)/*刷新各任务时钟*/{if(TCB[i].OSTCBDly){TCB[i].OSTCBDly--;if(TCB[i].OSTCBDly==0)/*当任务时钟到时,必须是由定时器减时的才行*/{OSSetPrioRdy(i);/*使任务可以重新运行*/}}}rSRCPND|=BIT_TIMER0;rINTPND|=BIT_TIMER0;}系统自身创建了一个空闲任务，并设它为最低优先级，当系统没有任何任务就绪时，则运行这个任务，让CPU“有事可干”。用户程序可以在这个任务中加入一些“无关紧要”的功能，如统计CPU使用率等。RTOS.cvoidIdleTask(void){IdleCount=0;whil