从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

2023-10-05 21:04:04

从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

1.前言

本人是一个普通的中年程序员，并不是圈内的大牛，写嵌入式操作系统这一系列的文章并不是要显示自己的技术，而是出于对嵌入式的热爱。非常幸运，本人毕业后的十几年一直从事嵌入式行业，遇到过各种坑，也收获过各种喜悦。希望通过嵌入式操作系统系列文章能对其它的嵌入式爱好者能有所帮助，帮助热爱嵌入式行业的朋友快速了解嵌入式操作系统的运行原理。

我将一步一步地完善我们的嵌入式实时操作系统enuo，每完成一步软件的构建，我将输出一篇总结性的文件，来分享软件构建过程，并开源软件工程和源码。

操作系统enuo的名字来源于我5岁儿子的名字伊诺，希望在我的守护下enuo和伊诺都能健康快乐，茁壮成长！
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

2.设计背景

书接上文我们完成了一个可以实现任务切换的软件工程V0.01版本。V0.01版本的软件工程中包含：main.c ，startup_stm32f401xc.s 和 readme三个文件。startup_stm32f401xc.s 文件为STM32F401的启动文件，main.c文件实现任务初始化，任务切换和任务轮询调度功能，readme文件用于记录版本修改日志。
V0.01版只能算一个功能验证型软件，接下来需要使用正规的软件设计方法来改造和重构整个工程，使软件系统具有较高的扩展性，移植性，复用性和可读性。V0.01版工程如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

3.设计目标

首先运用软件设计五大原则中的单一原则，建立一个独立的文件夹enuo用于存放于操作系统相关的源文件，每个源文件完成一个单一的功能。使用“分而治之”的设计思维，并将操作系统分为多个功能单一的模块，每个模块以一个C文件的形式承载，这样就提高了软件的可读性和移植性。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
其次同时使用面向对象的设计思维，将任务设计为一个抽象的对象，任务对象将任务的信息封装起来，这样就提高了软件的扩展性和复用性。虽然C语言不是面向对象编程语言，但是通过一些设计技巧可以实现面向对象设计。

最后构建一个任务链表用于加入和删除任务。链表数据结构可以在保留原有物理顺序的情况下，高效的实现插入和删除。

4.设计环境

硬件环境是使用STM32F401RE为核心的自制开发板。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
硬件环境是使用的KEIL V5.2 开发工具。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

5.设计过程

5.1构建任务对象
任务对象包含一个栈指针和一个任务链表，其定义如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
任务栈指针为第一个元素，这样栈指针就和任务对象为同一个地址（结构体的第一个元素就是结构体的首地址），这样就可以极大的简化任务切换过程中对栈指针的操作。
任务栈指针指向用户为任务定义的静态数据块，通常情况下任务栈是一个全局静态数组，数组的大小就是任务栈的大小。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
任务链表的作用是将多个任务串联起来，方便依次检索和操作。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

5.2构建链表结构
我们使用链表结构来存放任务对象，使用链表结构有如下优势：
1、在保留原有物理顺序的情况下，插入和删除速度快，效率高。插入和删除只需要改变几个指针变量。
2、链表中的表项数量没有上限。存储的表项上限只与内存空间大小有关，理论上如果内存无限大，链表中的表项可以动态增加到无限个。
3、动态分配内存，需要用多少个表项，就分配几个表项，不需要预先分配内存，不存在内存浪费的情况。
链表结构定义如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
链表采用的是数据中包含链表的数据结构，采用这种方式的优点是：当用户数据结构改变时，整个链表结构可以保持不变，不同的用户数据可以通用这一个的链表结构。示意图如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
数据中包含链表的数据结构，在操作链表后无法得到整个数据对象的地址。由下图可知图可知我们通过next指针可以得到下一个list元素的地址，但是我们无法获取整个数据对象的地址。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
在链表结构种增加一个void * owner指针，void * 类型指针可以指向任意类型的对象，用这个指针指向整个数据对象的地址,这样就可以定位到整个数据对象的地址。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

struct list_node_def
{
	struct list_node_def *  next;		/* 指向下一个列表节点 */
	struct list_node_def *  previous;	/* 指向上一个列表节点 */
	void 	*owner;						/* 指向链表节点数据结构 */
};

哨兵机制（表头机制）
哨兵是一个哑对象，作用是简化边界条件处理。使用哨兵机制（表头机制）后链表在空状态和非空状态插入和删除对象的操作是相同的，这样可以使得代码紧凑，清晰。

typedef struct list_def
	{
		list_node_t   	*index;			/* 索引指针 */
		list_node_t 	head;			/* 列表头 */
	} list_t;

5.3任务初始化
任务初始化代码如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
在创建任务之前，需要定义任务栈空间和用户任务函数：

/*********************************************************************************************************
* @名称	: enuo
* @作者	: 李巍
**********************************************************************************************************/

#define STACK_NUM 	(64)
/* 任务0-任务2栈空间 */
uint32_t task0_stack[STACK_NUM];		
uint32_t task1_stack[STACK_NUM];		
uint32_t task2_stack[STACK_NUM];

/* 任务0-任务2对象*/
task_tcb_t  my_task0;
task_tcb_t  my_task1;
task_tcb_t  my_task2;

void task0(void)
{
	static uint16_t clk = 0;

	while(1)
	{
		if( ( ( clk++ )%9999 ) == 0 ) 
		{
			task_debug_num0++;	/* 测试跟踪 */
			test_function();
		}
	}
}

task_create函数代码如下：

void task_create(task_tcb_t *task , task_function_t function ,uint32_t *stack_space ,uint32_t stack_number)
{
	list_node_t * node_tail = &task_list.head;
	/* 寻求列表尾端 */
	while( node_tail->next != NULL )
		node_tail = node_tail->next;
	/* 任务列表加入下一个任务 */
	node_tail->next = &task->task_list;
	/* 列表所有者指针指向任务  */
	task->task_list.owner = task;
	/* 当前任务下个列表指针设置为空  */
	task->task_list.next = NULL;	
	/* 初始化任务栈  */	
	task_stack_init( (uint32_t *)task, function , stack_space , stack_number );	
}

task_create函数完成任务链表操作，初始化任务栈指针和任务栈空间。
task_stack_init代码如下：

void task_stack_init(uint32_t 		*stack_pointer , 
					task_function_t task ,
					uint32_t 		*stack_space ,
					uint32_t 		stack_number)
{
	/* 将任务psp栈指针指向任务栈底部*/	
	*stack_pointer =  ( (uint32_t)stack_space + ( (stack_number - 16)<<2 ) );
	/* 初始化任务栈中的程序寄存器 */
	*( (uint32_t *)( (uint32_t )( *stack_pointer) + (14<<2) ) ) = ( uint32_t )task;
	/* 初始化任务栈中的XPSR*/
	*( (uint32_t *)( (uint32_t )( *stack_pointer) + (15<<2) ) ) = 0x01000000;
}

5.4开始调度任务
完成任务创建之后，就可以开始调度任务，开始调度任务代码如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
enuo_schedule函数代码如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称	: enuo
* @作者	: 李巍
**********************************************************************************************************/
__asm   void  start_schedule(void)
{
	/* 设置CONTROL寄存器 配置PSP栈指针模式 */
	MOV R0 ,#0X02
	MSR CONTROL,R0
	
	/*读取current_task 地址 */
	LDR R3, =__cpp(&current_task)         
	/* 读取curr_task中的PSP指针数值 */
	LDR R1,[R3]                      
	LDR R0,[R1]
	
	/* 出栈R4-R11八个寄存器 */
	LDMIA R0!,{R4-R11}                 
	/* 设置PSP指针 */
	MSR PSP,R0	
	/* POP 寄存器  POP  PC实现跳转 */
	POP { R0-R3 , R12 ,R11 ,PC }
	/* 对齐 */
	ALIGN 4
}

enuo_schedule函数主要完成3个功能：
1、设置处理器栈指针模式。
2、读取current_task 地址。
3、恢复任务寄存器，POP PC实现跳转用户任务代码。

5.5调度任务方法
任务调度采用时间片轮询调度，使用SysTick定时器产生定时中断，在定时器中断函数中依次从task_list任务链表中读取任务对象，并用next_task指向新读出的任务对象，最后挂起PendSV系统中断标志位，当SysTick定时器中断函数退出时执行PendSV_Handler进行任务切换。
SysTick定时器中断函数代码如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称	: enuo
* @作者	: 李巍
**********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler(void)
{
	
	static list_node_t * node_tail = &task_list.head;
	/* 轮流切换任务 */
	if(node_tail->next != NULL  )
	{
		/* 当下一个列表项不为NULL时  next_task为下一个列表项指向的任务*/
		next_task = node_tail->next->owner;
		/* 更新任务指针  */
		node_tail = node_tail->next;
	}
	else
	{
		/* 当下一个列表项为NULL时  ，node_tail指向任务列表的表头*/
		node_tail = &task_list.head;
		/*  next_task为表头指向的下一个的任务*/
		next_task = node_tail->next->owner;
		node_tail = node_tail->next;
	}
	
	/* PendSV系统中断置位 */
	SCB->ICSR |=SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk;	
	return;
}

5.6任务切换
任务切换在PendSV_Handler异常（中断）中任务切换。PendSV_Handler函数代码如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称	: enuo
* @作者	: 李巍
**********************************************************************************************************/
__asm   void  PendSV_Handler(void)
{
	/* 读取当前进程栈指针数值 */
	MRS R0,PSP                        	
	/* 保存R4-R11八个寄存器的值到当前任务栈中  同时将回写的地址写入R0 */
	STMDB R0!,{R4-R11} 	

	/* 读取current_task 地址 */
	LDR R3, =__cpp(&current_task)         
	/* 将当前进程PSP指针值 写入 相应的 current_task   */
	STR  R0,[R3] 

	
	/* 获取next_task 地址 */
	LDR R4,=__cpp(&next_task)          
	LDR R4,[R4]
	/* 读取next_task中的PSP指针 */
	LDR R0,[R4] 

	/* 出栈 R4-R11八个寄存器 */
	LDMIA R0!,{R4-R11}                 
	/* 设置PSP指针 */
	MSR PSP,R0	
	/* 中断返回 */
	BX LR 
	/* 对齐 */	
	ALIGN 4
}

PendSV_Handler函数完成以下3个功能：
1、进入PendSV_Handler中断前处理器自动保存了R0,R1,R2,R3, R12,LR,PC,XPSR，进入中断后完成R4~R11入栈保存工作，从而实现任务保存工作。
2、读取current_task 地址将当前进程PSP指针值保存到current_task指向的任务对象中。读取next_task指向的任务对象，并加载任务对象的PSP指针值。
3、出栈 R4-R11八个寄存器，设置PSP指针。中断返回时处理器自动保存了R0,R1,R2,R3 ,R12, LR,PC,XPSR，从而实现任务恢复工作。

6.运行结果

代码仿真运行后的结果如下：
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构
运行结果反应创建的3个任务都得到了调度，说明enuo系统正常工作。
enuo系统目前包括3个文件：
1、task.h文件
本文件中包含任务对象的定义，链表数据结构的定义和任务列表数据结构的定义。

2、task.c文件
本文件中包含task_create和enuo_schedule两个函数。task.c文件只用于存放与任务操作相关的函数(符合单一原则)。

3、interface.c文件
本文件中包含SysTick_Handler,PendSV_Handler，start_schedule和task_stack_init三个函数。interface.c文件只用与存放跟处理器相关的操作。后期更换处理器时只用修改这个文件即可，增强了系统的移植性。
从零开始构建嵌入式实时操作系统2——重构

希望获取源码的朋友们在评论区里留言。

未完待续…
实时操作系统系列将持续更新
创作不易希望朋友们点赞，转发，评论，关注。
您的点赞，转发，评论，关注将是我持续更新的动力
作者：李巍
Github：liyinuoman2017
CSDN：liyinuo2017
今日头条：程序猿李巍

上一篇：ConcurrentHashMap JDK 1.8 源码分析（自用）


下一篇：<转>jmeter（十三）常见问题及解决方法