這個是在網(wǎng)上看到的一篇文檔，作者的目的是設計一個簡單的嵌入式操作系統(tǒng)，只實現(xiàn)一個基本任務調(diào)度器的功能。正如作者所說，雖然不能稱為操作系統(tǒng)，但已體現(xiàn)了小型嵌入式操作系統(tǒng)的精髓。對于我們來說是很好的學習資料，可以從中一窺操作系統(tǒng)的面目，今天分享給大家。

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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(zhì)上還是單任務的。但由于CPU執(zhí)行速度非?？欤由先蝿涨袚Q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(tǒng)的特征是延時可預測，能夠在一個規(guī)定的時間內(nèi)(通常是 ms 級別的)對某些信號做出反應。

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任務的狀態(tài)

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(jīng)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(tài)，運行態(tài)，掛起態(tài)等。

運行態(tài)：一個運行態(tài)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(tài)：一個就緒態(tài)任務是可運行的，等待占有 CPU 的任務釋放 CPU。

掛起態(tài)：某些條件不滿足而掛起不能運行的狀態(tài)。

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如何轉化為就緒態(tài)

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(tài)，1 表示就緒狀態(tài)。它記錄了各任務的就緒與否狀態(tài)，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(xiàn)把任務的狀態(tài)變?yōu)榫途w或掛起態(tài)。

/* 在就緒表中登記就緒任務 */

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

/* 從就緒表中刪除任務 */

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

任務之間互相獨立，不存在互相調(diào)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(xiàn)。

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什么是搶占式調(diào)度？

調(diào)度的概念，通俗的說就是系統(tǒng)在多個任務中選擇合適的任務執(zhí)行。系統(tǒng)如何知道何時該執(zhí)行哪個任務？可以為每個任務安排一個唯一的優(yōu)先級別，當同時有多個任務就緒時，優(yōu)先運行優(yōu)先級較高的任務。同時，任務的優(yōu)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(diào)度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)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(yōu)先級的任務。這樣CPU 總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務。

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多任務系統(tǒng)的時間管理

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

OSTimeDly 函數(shù)就是以時鐘節(jié)拍為基準來延時的（在時鐘的中斷服務函數(shù)中，依次對各個延時任務的延時節(jié)拍數(shù)減1。若發(fā)現(xiàn)某個任務的延時節(jié)拍數(shù)變?yōu)?，則把它從掛起態(tài)置為就緒態(tài)。）。這個函數(shù)完成功能很簡單，就是先掛起當起當前任務，設定其延時節(jié)拍數(shù)，然后進行任務切換，在指定的時鐘節(jié)拍數(shù)到來之后，將當前任務恢復為就緒狀態(tài)。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(yōu)先級任務有機會運行。

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如何實現(xiàn)多任務？

只有一個CPU，如何在同一時間實現(xiàn)多個獨立程序的運行？要實現(xiàn)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(chǎn)。任務也一樣，如果一個任務有自己的CPU，堆棧，程序代碼，數(shù)據(jù)存儲區(qū)，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(shù)時（如Printf）， 被另一個高優(yōu)先級的任務搶占，那么當這個高優(yōu)先級的任務也調(diào)用同一個公共函數(shù)時，極有可能破壞原任務的數(shù)據(jù)。因為兩個任務可能共用一套數(shù)據(jù)。為了防止這種情況發(fā)生，常采用兩種措施:可重入設計和互斥調(diào)用。

可重入函數(shù)中所有的變量均為局部變量，局部變量在調(diào)用時臨時分配空間，所以不同的任務在不同的時刻調(diào)用該函數(shù)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(shù)調(diào)用了其他函數(shù)，則這些被調(diào)用的函數(shù)也必須是可重入函數(shù)。

實現(xiàn)互斥（獨占）訪問的方法有關中斷，關調(diào)度，互斥信號量，計數(shù)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(xiàn)多任務，首先是程序代碼，每個任務的程序代碼與函數(shù)一樣，與51 的裸奔程序一樣，每個任務都是一個大循環(huán)。然后是數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由于全局變量是系統(tǒng)共用的，各個任務共享，不是任務私有，所以這里的數(shù)據(jù)存儲區(qū)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(qū)。

在多任務系統(tǒng)中，為保障數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲區(qū)

私有棧的作用是存放局部變量，函數(shù)的參數(shù)，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態(tài)數(shù)組，把棧頂指針SP指向棧的數(shù)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(tǒng)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(zhí)行的環(huán)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(jié)拍數(shù)。任務控制塊是任務的身份證。它把任務的程序與數(shù)據(jù)聯(lián)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(xiàn)？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(xiàn)場數(shù)據(jù)保存起來（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務程序執(zhí)行。待執(zhí)行完畢，再把先前保存的數(shù)據(jù)裝回CPU 又回到原來的程序執(zhí)行。這樣就實現(xiàn)了兩個不同程序的交叉運行。

借鑒這種思想不就能實現(xiàn)多任務了嗎！模仿中斷的過程就可以實現(xiàn)任務切換運行。任務切換時，把當前任務的現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存在自己的任務棧里面，再把待運行的任務的數(shù)據(jù)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(huán)境的切換。而任務的運行環(huán)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(chuàng)建一個任務。它接收三個參數(shù)，分別是任務的入口地址，任務堆棧的首地址和任務的優(yōu)先級。調(diào)用本函數(shù)后，系統(tǒng)會根據(jù)用戶給出的參數(shù)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(tài)。最后返回，這樣一個任務就創(chuàng)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(xiàn)搶占式調(diào)度？

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

任務狀態(tài)會在什么時候發(fā)生改變呢？有下面兩種情況：

1、高優(yōu)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(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務獲得執(zhí)行，這種調(diào)度稱為任務級的切換。如任務執(zhí)行OSTimeDly（）或OSTaskSuspend（）把自身掛起就屬于這種。

2、高優(yōu)先級的任務因為時鐘節(jié)拍到來，或在中斷處理結束后，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)更高優(yōu)先級任務獲得了執(zhí)行條件(如延時的時鐘到時)則在中斷后直接切換到更高優(yōu)先級任務執(zhí)行。這種調(diào)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(tǒng)調(diào)度。這個函數(shù)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(tài)，然后進行任務調(diào)度。

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