前言

本文的目的是設計一個簡單的嵌入式操作系統，只實現一個基本任務調度器的功能。雖然不能稱為操作系統，但已體現了小型嵌入式操作系統的精髓，可以從中一窺操作系統的面目。

一、多任務機制

其實在單一CPU的情況下，是不存在真正的多任務機制的，存在的只有不同的任務輪流使用CPU，所以本質上還是單任務的。但由于CPU執行速度非常快，加上任務切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺好像有很多任務同時在運行一樣。這就是所謂的多任務機制。

實時系統的特征是延時可預測，能夠在一個規定的時間內(通常是ms級別的)對某些信號做出反應。

二、任務的狀態

任務有下面的特性：任務并不是隨時都可以運行的，而一個已經運行的任務并不能保證一直占有CPU直到運行完。一般有就緒態，運行態，掛起態等。

運行態：一個運行態的任務是一個正在使用CPU的任務。任何時刻有且只有一個運行著的任務。

就緒態：一個就緒態任務是可運行的，等待占有CPU的任務釋放CPU。

掛起態：某些條件不滿足而掛起不能運行的狀態。

三、如何轉化為就緒態

INT32U OSRdyTbl; /*就緒任務表*/上面定義一個32位變量，每一位代表一個任務，0表示掛起狀態，1表示就緒狀態。它記錄了各任務的就緒與否狀態，稱它為就緒表。OSRdyTbl定義為32位變量，對應32個任務。當然，定義為64位的話，便最多能支持64個任務。這樣，可以定義兩個宏，實現把任務的狀態變為就緒或掛起態。

/*在就緒表中登記就緒任務*/#define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01<

/*從就緒表中刪除任務*/#define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01<

任務之間互相獨立，不存在互相調用的關系。所有任務在邏輯上都是平等的。由于任務之間互相看不見，所以他們之間的信息傳輸就無法當面完成。這就需要各種通信機制如信號量，消息郵箱，隊列等來實現。

四、什么是搶占式調度？

調度的概念，通俗的說就是系統在多個任務中選擇合適的任務執行。系統如何知道何時該執行哪個任務？可以為每個任務安排一個唯一的優先級別，當同時有多個任務就緒時，優先運行優先級較高的任務。同時，任務的優先級也作為任務的唯一標識號。代碼中都是對標識號來完成對任務的操作的。

所謂“搶占式調度”是指：一旦就緒狀態中出現優先權更高的任務，便立即剝奪當前任務的運行權，把CPU分配給更高優先級的任務。這樣CPU總是執行處于就緒條件下優先級最高的任務。

五、多任務系統的時間管理

與人一樣，多任務系統也需要一個“心跳”來維持其正常運行，這個心跳叫做時鐘節拍，通常由定時器產生一個固定周期的中斷來充當。

OSTimeDly函數就是以時鐘節拍為基準來延時的（在時鐘的中斷服務函數中，依次對各個延時任務的延時節拍數減1。若發現某個任務的延時節拍數變為0，則把它從掛起態置為就緒態。）。這個函數完成功能很簡單，就是先掛起當起當前任務，設定其延時節拍數，然后進行任務切換，在指定的時鐘節拍數到來之后，將當前任務恢復為就緒狀態。任務必須通過OSTimeDly或OSTaskSuspend讓出CPU的使用權（延時或等待事件），使更低優先級任務有機會運行。

六、如何實現多任務？

只有一個CPU，如何在同一時間實現多個獨立程序的運行？要實現多任務，條件是每個任務互相獨立。人如何才能獨立，有自己的私有財產。任務也一樣，如果一個任務有自己的CPU，堆棧，程序代碼，數據存儲區，那這個任務就是一個獨立的任務。（CPU是通過多任務機制獲得的，其他的需要你分配）

TIPS：

如果一個任務正在運行某個公共函數時（如Printf）， 被另一個高優先級的任務搶占，那么當這個高優先級的任務也調用同一個公共函數時，極有可能破壞原任務的數據。因為兩個任務可能共用一套數據。為了防止這種情況發生，常采用兩種措施:可重入設計和互斥調用。

可重入函數中所有的變量均為局部變量，局部變量在調用時臨時分配空間，所以不同的任務在不同的時刻調用該函數時，它們的同一個局部變量所分配的存儲空間并不相同（任務私有棧中），互不干擾。另外，如果可重入函數調用了其他函數，則這些被調用的函數也必須是可重入函數。

實現互斥（獨占）訪問的方法有關中斷，關調度，互斥信號量，計數信號量等。

6.1 一個任務如何擁有自己的程序代碼

對于如何實現多任務，首先是程序代碼，每個任務的程序代碼與函數一樣，與51的裸奔程序一樣，每個任務都是一個大循環。然后是數據存儲區，由于全局變量是系統共用的，各個任務共享，不是任務私有，所以這里的數據存儲區是指任務的私有變量，如何變成私有？局部變量也。編譯器是把局部變量保存在棧里的，所以好辦，只要任務有個私有的棧就行。

TIPS：臨界資源是一次僅允許一個任務使用的共享資源。每個任務中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區。

在多任務系統中，為保障數據的可靠性和完整性，共享資源要互斥（獨占）訪問，所以全局變量（只讀的除外）不能同時有多個任務訪問，即一個任務訪問的時候不能被其他任務打斷。共享資源是一種臨界資源。

6.2 一個任務如何擁有自己的堆棧、數據存儲區

私有棧的作用是存放局部變量，函數的參數，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態數組，把棧頂指針SP指向棧的數組的首元素（遞增棧）或最后一個元素（遞減棧）。即可打造一個人工的棧出來。每個任務還要有記錄自己棧頂指針的變量，保存在任務控制塊（TCB）中。

什么是任務控制塊？

系統中的每個任務具有一個任務控制塊，任務控制塊記錄任務執行的環境，這里的任務控制塊比較簡單，只包含了任務的堆棧指針和任務延時節拍數。任務控制塊是任務的身份證。它把任務的程序與數據聯系起來，找到它就可以得到任務的所有資源。

6.3 一個任務如何擁有自己的CPU

最后來看看任務是如何“擁有”自己的CPU的。只有一個CPU，各個任務共享，輪流使用。如何才能實現？我們先來看看中斷的過程，當中斷來臨時，CPU把當前程序的運行地址，寄存器等現場數據保存起來（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務程序執行。待執行完畢，再把先前保存的數據裝回CPU又回到原來的程序執行。這樣就實現了兩個不同程序的交叉運行。

借鑒這種思想不就能實現多任務了嗎！模仿中斷的過程就可以實現任務切換運行。任務切換時，把當前任務的現場數據保存在自己的任務棧里面，再把待運行的任務的數據從自己的任務棧裝載到CPU中，改變CPU的PC，SP，寄存器等。可以說，任務的切換是任務運行環境的切換。而任務的運行環境保存在任務棧中，也就是說，任務切換的關鍵是把任務的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針SP。

創建一個任務。它接收三個參數，分別是任務的入口地址，任務堆棧的首地址和任務的優先級。調用本函數后，系統會根據用戶給出的參數初始化任務棧，并把棧頂指針保存到任務控制塊中，在任務就緒表標記該任務為就緒狀態。最后返回，這樣一個任務就創建成功了。

當一個任務將要運行時，便通過取得它的堆棧指針（保存在任務控制塊中）將這些寄存器出棧裝入CPU相應的位置即可。

6.4 如何實現搶占式調度？

基于任務優先級的搶占式調度，也就是最高優先級的任務一旦處于就緒狀態，則立即搶占正在運行的低優先級任務的處理器資源。為了保證CPU總是執行處于就緒條件下優先級最高的任務，每當任務狀態改變后，即判斷當前運行的任務是否是就緒任務中優先級最高的，否則進行任務切換。

任務狀態會在什么時候發生改變呢？有下面兩種情況：

1、高優先級的任務因為需要某種資源或延時，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調度就緒狀態的低優先級任務獲得執行，這種調度稱為任務級的切換。如任務執行OSTimeDly（）或OSTaskSuspend（）把自身掛起就屬于這種。

2、高優先級的任務因為時鐘節拍到來，或在中斷處理結束后，內核發現更高優先級任務獲得了執行條件(如延時的時鐘到時)則在中斷后直接切換到更高優先級任務執行。這種調度也稱為中斷級的切換。

6.5 掛起/恢復任務

1 掛起任務

通過 OSTaskSuspend()可以主動掛起一個任務。OSTaskSuspend()會把任務從任務就緒表中移出，最后重新啟動系統調度。這個函數可以掛起任務本身也可以掛起其他任務。

2 恢復任務（OSTaskResume()）

可以讓被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 掛起的任務恢復就緒態，然后進行任務調度。