1、前言

本人是一個(gè)普通的中年程序員，并不是圈內(nèi)的大牛，寫嵌入式操作系統(tǒng)這一系列的文章并不是要顯示自己的技術(shù)，而是出于對(duì)嵌入式的熱愛(ài)。非常幸運(yùn)，本人畢業(yè)后的十幾年一直從事嵌入式行業(yè)，遇到過(guò)各種坑，也收獲過(guò)各種喜悅。希望嵌入式操作系統(tǒng)系列文章能對(duì)其它的嵌入式愛(ài)好者能有所幫助，幫助熱愛(ài)嵌入式行業(yè)的朋友快速了解嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行原理。

我將一步一步地完善我們的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)enuo，每完成一步軟件的構(gòu)建，我將輸出一篇總結(jié)性的文件，來(lái)分享軟件構(gòu)建過(guò)程，并開(kāi)源軟件工程和源碼。

操作系統(tǒng)enuo的名字來(lái)源于我5歲兒子的伊諾，希望在我的守護(hù)下enuo和伊諾都能健康快樂(lè)，茁壯成長(zhǎng)!

2、設(shè)計(jì)背景

書接上文我們完成了一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換的軟件工程V0.01版本。V0.01版本的軟件工程中包含：main.c ，startup_ stm32f401xc.s 和 readme三個(gè)文件。startup_ stm32f401xc.s 文件為STM32F401的啟動(dòng)文件，main.c文件實(shí)現(xiàn)任務(wù)初始化，任務(wù)切換和任務(wù)輪詢調(diào)度功能，readme文件用于記錄版本修改日志。

V0.01版只能算一個(gè)功能驗(yàn)證型軟件，接下來(lái)需要使用正規(guī)的軟件設(shè)計(jì)方法來(lái)改造和重構(gòu)整個(gè)工程，使軟件系統(tǒng)具有較高的擴(kuò)展性，移植性，復(fù)用性和可讀性。

3、設(shè)計(jì)目標(biāo)

首先運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)五大原則中的單一原則，建立一個(gè)獨(dú)立的文件夾enuo用于存放于操作系統(tǒng)相關(guān)的源文件，每個(gè)源文件完成一個(gè)單一的功能。使用“分而治之”的設(shè)計(jì)思維，并將操作系統(tǒng)分為多個(gè)功能單一的模塊，每個(gè)模塊以一個(gè)C文件的形式承載，這樣就提高了軟件的可讀性和移植性。

其次同時(shí)使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思維，將任務(wù)設(shè)計(jì)為一個(gè)抽象的對(duì)象，任務(wù)對(duì)象將任務(wù)的信息封裝起來(lái)，這樣就提高了軟件的擴(kuò)展性和復(fù)用性。雖然C語(yǔ)言不是面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，但是通過(guò)一些設(shè)計(jì)技巧可以實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)。

最后構(gòu)建一個(gè)任務(wù)鏈表用于加入和刪除任務(wù)。鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以在保留原有物理順序的情況下，高效地插入和刪除。

4、設(shè)計(jì)環(huán)境

硬件環(huán)境是使用STM32F401RE為核心的自制開(kāi)發(fā)板。

軟件環(huán)境是使用的KEIL V5.2 開(kāi)發(fā)工具。

5、設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）構(gòu)建任務(wù)對(duì)象

任務(wù)對(duì)象包含一個(gè)棧指針和一個(gè)任務(wù)鏈表，其定義如下：

任務(wù)棧指針為第一個(gè)元素，這樣棧指針就和任務(wù)對(duì)象為同一個(gè)地址(結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)元素就是結(jié)構(gòu)體的首地址)，這樣就可以極大的簡(jiǎn)化任務(wù)切換過(guò)程中對(duì)棧指針的操作。

任務(wù)棧指針指向用戶為任務(wù)定義的靜態(tài)數(shù)據(jù)塊，通常情況下任務(wù)棧是一個(gè)全局靜態(tài)數(shù)組，數(shù)組的大小就是任務(wù)棧的大小。

任務(wù)鏈表的作用是將多個(gè)任務(wù)串聯(lián)起來(lái)，方便依次檢索和操作。

（2）構(gòu)建鏈表結(jié)構(gòu)

我們使用鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)存放任務(wù)對(duì)象，使用鏈表結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)勢(shì)：

1、在保留原有物理順序的情況下，插入和刪除速度快，效率高。插入和刪除只需要改變幾個(gè)指針變量。

2、鏈表中的表項(xiàng)數(shù)量沒(méi)有上限。存儲(chǔ)的表項(xiàng)上限只與內(nèi)存空間大小有關(guān)，理論上如果內(nèi)存無(wú)限大，鏈表中的表項(xiàng)可以動(dòng)態(tài)增加到無(wú)限個(gè)。

3、動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，需要用多少個(gè)表項(xiàng)，就分配幾個(gè)表項(xiàng)，不需要預(yù)先分配內(nèi)存，不存在內(nèi)存浪費(fèi)的情況。

鏈表結(jié)構(gòu)定義如下：

鏈表采用的是數(shù)據(jù)中包含鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，整個(gè)鏈表結(jié)構(gòu)可以保持不變，不同的用戶數(shù)據(jù)可以通用這一個(gè)的鏈表結(jié)構(gòu)。示意圖如下：

數(shù)據(jù)中包含鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在操作鏈表后無(wú)法得到整個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的地址。由下圖可知圖可知我們通過(guò)next指針可以得到下一個(gè)list元素的地址，但是我們無(wú)法獲取整個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的地址。

在鏈表結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)void * owner指針，void * 類型指針可以指向任意類型的對(duì)象，用這個(gè)指針指向整個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的地址,這樣就可以定位到整個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的地址。

struct list_node_def
{
  struct list_node_def *  next;   /* 指向下一個(gè)列表節(jié)點(diǎn) */
  struct list_node_def *  previous; /* 指向上一個(gè)列表節(jié)點(diǎn) */
  void  *owner;           /* 指向鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */
};

哨兵機(jī)制(表頭機(jī)制)

哨兵是一個(gè)啞對(duì)象，作用是簡(jiǎn)化邊界條件處理。使用哨兵機(jī)制(表頭機(jī)制)后鏈表在空狀態(tài)和非空狀態(tài)插入和刪除對(duì)象的操作是相同的，這樣可以使得代碼緊湊，清晰。

typedef struct list_def
  {
    list_node_t     *index;     /* 索引指針 */
    list_node_t   head;     /* 列表頭 */
  } list_t;

（3）任務(wù)初始化

任務(wù)初始化代碼如下：

在創(chuàng)建任務(wù)之前，需要定義任務(wù)?？臻g和用戶任務(wù)函數(shù)：

/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
#define STACK_NUM   (64)
/* 任務(wù)0-任務(wù)2?？臻g */
uint32_t task0_stack[STACK_NUM];    
uint32_t task1_stack[STACK_NUM];    
uint32_t task2_stack[STACK_NUM];
/* 任務(wù)0-任務(wù)2對(duì)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++;  /* 測(cè)試跟蹤 */
      test_function();
    }
  }
}

task_create函數(shù)代碼如下：

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;
  /* 尋求列表尾端 */
  while( node_tail->next != NULL )
    node_tail = node_tail->next;
  /* 任務(wù)列表加入下一個(gè)任務(wù) */
  node_tail->next = &task->task_list;
  /* 列表所有者指針指向任務(wù)  */
  task->task_list.owner = task;
  /* 當(dāng)前任務(wù)下個(gè)列表指針設(shè)置為空  */
  task->task_list.next = NULL;  
  /* 初始化任務(wù)棧  */ 
  task_stack_init( (uint32_t *)task, function , stack_space , stack_number ); 
}

task_create函數(shù)完成任務(wù)鏈表操作，初始化任務(wù)棧指針和任務(wù)?？臻g。

task_stack_init代碼如下：

void task_stack_init(uint32_t     *stack_pointer , 
          task_function_t task ,
          uint32_t    *stack_space ,
          uint32_t    stack_number)
{
  /* 將任務(wù)psp棧指針指向任務(wù)棧底部*/ 
  *stack_pointer =  ( (uint32_t)stack_space + ( (stack_number - 16)<<2 ) );
  /* 初始化任務(wù)棧中的程序寄存器 */
  *( (uint32_t *)( (uint32_t )( *stack_pointer) + (14<<2) ) ) = ( uint32_t )task;
  /* 初始化任務(wù)棧中的XPSR*/
  *( (uint32_t *)( (uint32_t )( *stack_pointer) + (15<<2) ) ) = 0x01000000;
}

（4）開(kāi)始調(diào)度任務(wù)

完成任務(wù)創(chuàng)建之后，就可以開(kāi)始調(diào)度任務(wù)，開(kāi)始調(diào)度任務(wù)代碼如下：

enuo_schedule函數(shù)代碼如下：

/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
__asm   void  start_schedule(void)
{
  /* 設(shè)置CONTROL寄存器 配置PSP棧指針模式 */
  MOV R0 ,#0X02
  MSR CONTROL,R0
  
  /*讀取current_task 地址 */
  LDR R3, =__cpp(¤t_task)         
  /* 讀取curr_task中的PSP指針數(shù)值 */
  LDR R1,[R3]                      
  LDR R0,[R1]
  
  /* 出棧R4-R11八個(gè)寄存器 */
  LDMIA R0!,{R4-R11}                 
  /* 設(shè)置PSP指針 */
  MSR PSP,R0  
  /* POP 寄存器  POP  PC實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn) */
  POP { R0-R3 , R12 ,R11 ,PC }
  /* 對(duì)齊 */
  ALIGN 4
}

enuo_schedule函數(shù)主要完成3個(gè)功能：

1. 設(shè)置處理器棧指針模式。
2. 讀取current_task 地址。
3. 恢復(fù)任務(wù)寄存器，POP PC實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)用戶任務(wù)代碼。

（5）調(diào)度任務(wù)方法

任務(wù)調(diào)度采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，使用SysTick定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，在定時(shí)器中斷函數(shù)中依次從task_list任務(wù)鏈表中讀取任務(wù)對(duì)象，并用next_task指向新讀出的任務(wù)對(duì)象，最后掛起PendSV系統(tǒng)中斷標(biāo)志位，當(dāng)SysTick定時(shí)器中斷函數(shù)退出時(shí)執(zhí)行PendSV_Handler進(jìn)行任務(wù)切換。

SysTick定時(shí)器中斷函數(shù)代碼如下：

/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler(void)
{
  static list_node_t * node_tail = &task_list.head;
  /* 輪流切換任務(wù) */
  if(node_tail->next != NULL  )
  {
    /* 當(dāng)下一個(gè)列表項(xiàng)不為NULL時(shí)  next_task為下一個(gè)列表項(xiàng)指向的任務(wù)*/
    next_task = node_tail->next->owner;
    /* 更新任務(wù)指針  */
    node_tail = node_tail->next;
  }
  else
  {
    /* 當(dāng)下一個(gè)列表項(xiàng)為NULL時(shí)  ，node_tail指向任務(wù)列表的表頭*/
    node_tail = &task_list.head;
    /*  next_task為表頭指向的下一個(gè)的任務(wù)*/
    next_task = node_tail->next->owner;
    node_tail = node_tail->next;
  }
  
  /* PendSV系統(tǒng)中斷置位 */
  SCB->ICSR |=SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk; 
  return;
}

（6）任務(wù)切換

任務(wù)切換在PendSV_Handler異常(中斷)中任務(wù)切換。PendSV_Handler函數(shù)代碼如下：

/*********************************************************************************************************
* @名稱 : enuo
* @作者 : 李巍
**********************************************************************************************************/
__asm   void  PendSV_Handler(void)
{
  /* 讀取當(dāng)前進(jìn)程棧指針數(shù)值 */
  MRS R0,PSP  
  //isb 
  /* 保存R4-R11八個(gè)寄存器的值到當(dāng)前任務(wù)棧中  同時(shí)將回寫的地址寫入R0 */
  STMDB R0!,{R4-R11}  
  /* 讀取current_task 棧指針地址 */
  LDR R3, =__cpp(¤t_task)       
  LDR R3, [R3]
  /* 將當(dāng)前進(jìn)程PSP指針值 寫入 相應(yīng)的 current_task   */ 
  STR  R0,[R3] 
  /* 獲取next_task 棧指針地址 */
  LDR R4,=__cpp(&next_task)         
  LDR R4,[R4]
  /* 讀取next_task中的stack_point指針 */
  LDR R0,[R4]   
  /* 更新current_task  */
  LDR R3, =__cpp(¤t_task) 
  STR  R4,[R3] 
  
  /* 出棧 R4-R11八個(gè)寄存器 */
  LDMIA R0!,{R4-R11}                 
  /* 設(shè)置PSP指針 */
  MSR PSP,R0  
  /* 中斷返回 */
  BX LR 
  /* 對(duì)齊 */  
  ALIGN 4
}

PendSV_Handler函數(shù)完成以下3個(gè)功能：

1. 進(jìn)入PendSV_Handler中斷前處理器自動(dòng)保存了R0,R1,R2,R3, R12,LR,PC,XPSR，進(jìn)入中斷后完成R4~R11入棧保存工作，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)保存工作。
2. 讀取current_task 地址將當(dāng)前進(jìn)程PSP指針值保存到current_task指向的任務(wù)對(duì)象中。讀取next_task指向的任務(wù)對(duì)象，并加載任務(wù)對(duì)象的PSP指針值。
3. 出棧 R4-R11八個(gè)寄存器，設(shè)置PSP指針。中斷返回時(shí)處理器自動(dòng)保存了R0,R1,R2,R3 ,R12, LR,PC,XPSR，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)恢復(fù)工作。

6、運(yùn)行結(jié)果

代碼仿真運(yùn)行后的結(jié)果如下：

運(yùn)行結(jié)果反應(yīng)創(chuàng)建的3個(gè)任務(wù)都得到了調(diào)度，說(shuō)明enuo系統(tǒng)正常工作。

enuo系統(tǒng)目前包括3個(gè)文件：

（1）task.h文件

本文件中包含任務(wù)對(duì)象的定義，鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和任務(wù)列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。

（2）task.c文件

本文件中包含task_create和enuo_schedule兩個(gè)函數(shù)。task.c文件只用于存放與任務(wù)操作相關(guān)的函數(shù)(符合單一原則)。

（3）interface.c文件

本文件中包含SysTick_Handler,PendSV_Handler，start_schedule和task_stack_init三個(gè)函數(shù)。interface.c文件只用與存放跟處理器相關(guān)的操作。后期更換處理器時(shí)只用修改這個(gè)文件即可，增強(qiáng)了系統(tǒng)的移植性。