当前位置:首页 > 公众号精选 > 嵌入式微处理器
[导读]这个是在网上看到的一篇文档,作者的目的是设计一个简单的嵌入式操作系统,只实现一个基本任务调度器的功能。


这个是在网上看到的一篇文档,作者的目的是设计一个简单的嵌入式操作系统,只实现一个基本任务调度器的功能。正如作者所说,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。对于我们来说是很好的学习资料,可以从中一窥操作系统的面目,今天分享给大家。



1

多任务机制



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。


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。



2

任务的状态


任务有下面的特性: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。



3

如何转化为就绪态


INT32U OSRdyTbl; /* 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。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。


/* 在就绪表中登记就绪任务 */


#define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01<<prio;} //把相应位置1


/* 从就绪表中删除任务 */


#define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01<<prio); }//把相应位清零


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。



4

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。


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。



5

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。


OSTimeDly 函数就是以时钟节拍为基准来延时的(在时钟的中断服务函数中,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。)。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(延时或等待事件),使更低优先级任务有机会运行。



6

如何实现多任务?


只有一个CPU,如何在同一时间实现多个独立程序的运行?要实现多任务,条件是每个任务互相独立。人如何才能独立,有自己的私有财产。任务也一样,如果一个任务有自己的CPU,堆栈,程序代码,数据存储区,那这个任务就是一个独立的任务。(CPU是通过多任务机制获得的,其他的需要你分配)


TIPS:


如果一个任务正在运行某个公共函数时(如Printf), 被另一个高优先级的任务抢占,那么当这个高优先级的任务也调用同一个公共函数时,极有可能破坏原任务的数据。因为两个任务可能共用一套数据。为了防止这种情况发生,常采用两种措施:可重入设计和互斥调用。


可重入函数中所有的变量均为局部变量,局部变量在调用时临时分配空间,所以不同的任务在不同的时刻调用该函数时,它们的同一个局部变量所分配的存储空间并不相同(任务私有栈中),互不干扰。另外,如果可重入函数调用了其他函数,则这些被调用的函数也必须是可重入函数。


实现互斥(独占)访问的方法有关中断,关调度,互斥信号量,计数信号量等。


6.1 一个任务如何拥有自己的程序代码


对于如何实现多任务,首先是程序代码,每个任务的程序代码与函数一样,与51 的裸奔程序一样,每个任务都是一个大循环。然后是数据存储区,由于全局变量是系统共用的,各个任务共享,不是任务私有,所以这里的数据存储区是指任务的私有变量,如何变成私有?局部变量也。编译器是把局部变量保存在栈里的,所以好办,只要任务有个私有的栈就行。


TIPS:


临界资源是一次仅允许一个任务使用的共享资源。每个任务中访问临界资源的那段程序称为临界区。


在多任务系统中,为保障数据的可靠性和完整性,共享资源要互斥(独占)访问,所以全局变量(只读的除外)不能同时有多个任务访问,即一个任务访问的时候不能被其他任务打断。共享资源是一种临界资源。


6.2 一个任务如何拥有自己的堆栈、数据存储区


私有栈的作用是存放局部变量,函数的参数,它是一个线性的空间,所以可以申请一个静态数组,把栈顶指针SP指向栈的数组的首元素(递增栈)或最后一个元素(递减栈)。即可打造一个人工的栈出来。每个任务还要有记录自己栈顶指针的变量,保存在任务控制块(TCB)中。


什么是任务控制块?


系统中的每个任务具有一个任务控制块,任务控制块记录任务执行的环境,这里的任务控制块比较简单,只包含了任务的堆栈指针和任务延时节拍数。任务控制块是任务的身份证。它把任务的程序与数据联系起来,找到它就可以得到任务的所有资源。



6.3 一个任务如何拥有自己的CPU


最后来看看任务是如何“拥有”自己的CPU 的。只有一个 CPU,各个任务共享,轮流使用。如何才能实现?我们先来看看中断的过程,当中断来临时,CPU 把当前程序的运行地址,寄存器等现场数据保存起来(一般保存在栈里),然后跳到中断服务程序执行。待执行完毕,再把先前保存的数据装回CPU 又回到原来的程序执行。这样就实现了两个不同程序的交叉运行。


借鉴这种思想不就能实现多任务了吗!模仿中断的过程就可以实现任务切换运行。任务切换时,把当前任务的现场数据保存在自己的任务栈里面,再把待运行的任务的数据从自己的任务栈装载到CPU中,改变 CPU 的 PC,SP,寄存器等。可以说,任务的切换是任务运行环境的切换。而任务的运行环境保存在任务栈中,也就是说,任务切换的关键是把任务的私有堆栈指针赋予处理器的堆栈指针SP。



创建一个任务。它接收三个参数,分别是任务的入口地址,任务堆栈的首地址和任务的优先级。调用本函数后,系统会根据用户给出的参数初始化任务栈,并把栈顶指针保存到任务控制块中,在任务就绪表标记该任务为就绪状态。最后返回,这样一个任务就创建成功了。


当一个任务将要运行时,便通过取得它的堆栈指针(保存在任务控制块中)将这些寄存器出栈装入CPU 相应的位置即可。


6.4 如何实现抢占式调度?


基于任务优先级的抢占式调度,也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态,则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了保证CPU 总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务,每当任务状态改变后,即判断当前运行的任务是否是就绪任务中优先级最高的,否则进行任务切换。


任务状态会在什么时候发生改变呢?有下面两种情况:


1、高优先级的任务因为需要某种资源或延时,主动请求挂起,让出处理器,此时将调度就绪状态的低优先级任务获得执行,这种调度称为任务级的切换。如任务执行OSTimeDly()或OSTaskSuspend()把自身挂起就属于这种。


2、高优先级的任务因为时钟节拍到来,或在中断处理结束后,内核发现更高优先级任务获得了执行条件(如延时的时钟到时)则在中断后直接切换到更高优先级任务执行。这种调度也称为中断级的切换。


6.5 挂起/恢复任务


1. 挂起任务


通过 OSTaskSuspend()可以主动挂起一个任务。OSTaskSuspend()会把任务从任务就绪表中移出,最后重新启动系统调度。这个函数可以挂起任务本身也可以挂起其他任务。


2 .恢复任务(OSTaskResume())


可以让被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 挂起的任务恢复就绪态,然后进行任务调度。


-END-


嵌入式ARM

扫描二维码,关注更多精彩内容

本站声明: 本文章由作者或相关机构授权发布,目的在于传递更多信息,并不代表本站赞同其观点,本站亦不保证或承诺内容真实性等。需要转载请联系该专栏作者,如若文章内容侵犯您的权益,请及时联系本站删除。
换一批
延伸阅读

虽然嵌入式芯片架构市场上有明确的引领者,但该行业正在快速扩张,预计未来几年将出现许多新的机会。当然,在这样的热门行业中,永远有创新技术和新产品的一席之地。

关键字: 嵌入式 处理器 RISC-V

2024年3月8日 – 专注于引入新品的全球电子元器件和工业自动化产品授权代理商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起供货Advantech的VEGA-P110 PCIe Intel® Arc A37...

关键字: 嵌入式 GPU卡 边缘AI

康佳特采用博世力士乐的 ctrlX OS 操作系统

关键字: 计算机模块 嵌入式 机器人

先楫新一代的仪表显示产品具有高画质、低功耗等特点。

关键字: 嵌入式 GPU 图形处理器

在这篇文章中,小编将为大家带来嵌入式开发的相关报道。如果你对本文即将要讲解的内容存在一定兴趣,不妨继续往下阅读哦。

关键字: 嵌入式 嵌入式开发

以下内容中,小编将对嵌入式开发的相关内容进行着重介绍和阐述,希望本文能帮您增进对嵌入式开发的了解,和小编一起来看看吧。

关键字: 嵌入式 嵌入式开发 嵌入式系统

本文中,小编将对嵌入式开发予以介绍,如果你想对它的详细情况有所认识,或者想要增进对嵌入式的了解程度,不妨请看以下内容哦。

关键字: 嵌入式 嵌入式开发

在这篇文章中,小编将为大家带来嵌入式开发的相关报道。如果你对本文即将要讲解的内容存在一定兴趣,不妨继续往下阅读哦。

关键字: 嵌入式 嵌入式开发

由AMD Kria™ K26 SOM提供支持的视觉 AI 盒能以高速处理摄像头图像,以更为有效地检测轨道

关键字: AI 自动化 嵌入式
关闭
关闭