从零开始构建嵌入式实时操作系统—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岁儿子的伊诺，希望在我的守护下enuo和伊诺都能健康快乐，茁壮成长!

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。

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。 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，高效地插入和删除。

4、设计环境

硬件环境是使用STM32F401RE为核心的自制开发板。 软件环境是使用的KEIL V5.2 开发工具。

5、设计过程

（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： 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。 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。

（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： 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： 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。 在链表结构中增加一个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。

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;

（3）任务初始化

任务初始化代码如下： 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;
}

（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： 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(¤t_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：

设置处理器栈指针模式。 读取current_task 地址。 恢复任务寄存器，POP PC实现跳转用户任务代码。

（5）调度任务方法

任务调度采用时间片轮转调度，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;
}

（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  
  //isb 
  /* 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 栈指针地址 */
  LDR R3, =__cpp(¤t_task)       
  LDR R3, [R3]
  /* 将当前进程PSP指针值 写入 相应的 current_task   */ 
  STR  R0,[R3] 
  /* 获取next_task 栈指针地址 */
  LDR R4,=__cpp(&next_task)         
  LDR R4,[R4]
  /* 读取next_task中的stack_point指针 */
  LDR R0,[R4]   
  /* 更新current_task  */
  LDR R3, =__cpp(¤t_task) 
  STR  R4,[R3] 
  
  /* 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：

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。 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。 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： 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。