手撸嵌入式操作系统

一，先了解一些基本概念

1，什么是操作系统？

操作系统是为了解决计算机资源争抢而编写的一个程序

2，什么是资源争抢？

多个任务在执行的过程中需要共享有限的资源

3，什么是任务？

计算机需要完成的某一项工作

4，顺序执行？

任务一个接一个的执行

5，多任务并行：

同时运行多个任务

6，任务优先级：

根据任务的重要性和使用频度决定工作的优先级

7，进程：

正在进行的任务

8，类比现实生活来理解：

①系统资源：在学校的操场上，有很多资源供学生玩耍，比如篮球场，足球场，篮球，足球。这相当于计算机中的系统资源

②任务：每个学生都有自己喜欢玩的项目，比如跳绳，踢足球，玩沙子。这些需求相当于计算机里的任务

③进程：当一个小朋友在玩耍。例如玩皮球，那么这个正在进行的活动就是一个进程

④顺序执行：如果操场上只有一个足球，那么小朋友需要一个接一个的踢足球，小明踢完，小红踢。相当于计算机里面的顺序执行。任务一个接一个的执行

⑤多任务并行：在这个情况下，操场上有非常多的资源供所有的小朋友玩。

例如：小明可以踢皮球，小红可以玩跳绳，小浩可以玩沙子，他们都在同时玩各自的游戏。这就相当于计算机里面的多任务并行，各个任务可以同时进行。

在学校里面，老师（操作系统）负责管理操场上的资源（系统资源），确保每个小朋友都能有序的玩耍（任务）。老师可以按实际情况选择让同学按顺序玩耍或同时玩耍，以便更好的利用操场上的资源。

9，高级操作系统特性：

高级操作系统具有任务切换、多任务并行和任务优先级设置的功能。

①任务切换：假设有两个任务：一个是小明想喝水，另一个是小红想画画。老师先满足了小明的需求，然后满足小红的需求，在这个过程中，老师从小明的需求切换到小红的需求。

②多任务并行：如果学校的资源足够丰富，大家可以同时玩耍。小明可以踢皮球，小红可以玩跳绳，小浩可以玩沙子，他们都在同时玩各自的游戏。这就相当于计算机里面的多任务并行，各个任务可以同时进行。

③任务优先级：小明和小红都想玩足球，此时发生了资源的争抢。但是小红的爸爸是校长，小红说我想先玩这个，老师就先让小红先玩了，这就是任务的优先级。计算机优先执行高优先级任务。

10，时间片轮转和上下文切换

假设老师需要在一段时间内满足多个小朋友的需求，例如小明想玩积木，小红想画画，小刚想听故事，并且只有一位老师，他们想得到老师的帮助。这时，老师会用“时间片”来分配自己的时间。

①时间片： 老师为每个小朋友分配固定时间，例如5分钟。这段时间被称为“时间片”。在这个时间片内，老师会专注于帮助一个小朋友。例如，老师先花5分钟陪小明玩积木，然后花5分钟陪小红画画，最后花5分钟给小刚讲故事。

②上下文切换：每当一个时间片结束，老师需要从当前任务（陪小明玩积木）切换到下一个任务（陪小红画画）。在这个过程中，老师需要记住前一个任务的状态（小明已经搭好了几个积木），以便在下一个时间片回到这个任务时可以继续帮助小明。这种在任务间进行状态切换的过程为“上下文切换”。

通过合理的分配时间片和进行上下文切换，老师能够高效的管理多个任务。计算机使用这个机制来确保计算资源得到合理的分配。

假设时间片非常短，5ms。先花10ms陪小明搭积木，然后花10ms陪小红画画，最后花10ms给小刚讲故事。因为小朋友的反应没那么快，感觉老师一直在跟自己玩。

11，操作系统和资源调度

在学校中，也可能会出现资源争抢的问题。例如，如果只有一套画笔和颜料，两个小朋友（小明，小红）同时想画画，那他们就发生了争抢，而老师（操作系统）需要采取措施来解决这个问题。

①优先级分配，可以先把画笔和颜料分给优先级比较高的任务。例如，如果小明需要完成画画作业，而小红只是想随手画个小老鼠，那老师就会把画笔和颜料优先分配给小明。

②时间片轮转：老师可以分配时间片来保证两个人都能使用资源。例如，小明和小红轮流使用画笔和颜料，每次5分钟。防止某个小朋友长时间独占资源。

12，中断系统

在学校中，我们可以将中断理解为突发事件，需要老师（操作系统）立即处理，暂停正在进行的活动。

情景：假设老师正在帮助小明绘画调色，此时小红摔倒了，受了伤。这个突发事件好比是一个“中断”。

在这种情况下，老师需要立刻暂停正在进行的绘画活动，处理突发事件。老师取查看小红的伤势，处理伤口。处理完之后，老师会重新回到绘画活动中，继续之前的工作，帮小明调色。

在计算机系统中，中断是类似的，当一个突发事件（外设发的信号、计时器到期或紧急报错）发生，CPU会停止正在执行的任务，转而处理这个事件，处理完之后，CPU会返回到原来的任务，从中断前的位置继续执行。

在计算机系统中，中断使得CPU能够在执行任务的同时，及时响应和处理紧急事件，提高系统的实时性和灵活性。

13，实时操作系统和非实时操作系统

实时操作系统：假设有一天，学校要举办一个晚会，需要老师（操作系统）来调度表演节目以及处理突发状况。在这个场景中，老师需要在特定的时间完成特定的任务。以确保晚会的顺利举办。；例如，老师需要在晚会开始前确保所有的节目都准备好，还需要在特定的时间开始和结束某个节目。如果某个节目没有按时开始或者结束，可能会影响整个晚会的进程。这种在特定时间内完成任务的操作系统就是实时操作系统。

非实时操作系统：我们来看另一个场景。假设在普通的上课日，老师需要安排各种活动，比如上课，吃饭，午休。在这种情况下，老师需要确保每个活动都安排，但没有严格的时间限制。例如，吃饭早一点，午休晚一点，不会产生严重影响。这种就是非实时操作系统。

实时操作系统分为硬实时和软实时：

硬实时:在晚会中，假如有一个节目需要在特定的时间点精确开始，例如在晚会开始后5min内。如果这个节目没有在这个时间点内准时开始，可能会导致晚会的失败，或产生严重的后果。在这种情况下，老师必须确保这个节目在特定的时间内开始，这就是硬实时，意味着任务必须在严格的时间限制内完成，否则会导致严重后果。

软实时：在晚会中，如果有一个节目希望在晚会10min内开始，但是如果晚一点也没关系。这种情况下，老师还是会尽力保证节目暗示开始，但即使稍微晚一点，给晚会影响也不大。这就是软实时。任务有时间限制，但即使没有完全满足时间要求，也不会导致系统失效或产生严重后果。

基于时间片切换的操作系统属于软实时操作系统。

14，操作系统概念总结一把

操作系统概念	学校场景
系统资源	玩具、游戏场地、定时器、秒表
任务	小朋友喜欢做的事情（画画，踢球）
进程	小朋友正在进行的活动（画画，踢球）
顺序执行	老师依次满足每个小朋友的需求
多任务并行	老师同时满足多个小朋友的需求
任务优先级	根据小朋友的需求紧急程度安排先后顺序
任务切换	老师在不同小朋友的需求之间切换
时间片	老师给每个小朋友分配一段时间
上下文切换	老师满足一个小朋友需求之后，快速切换满足另一个小朋友需求
上下文保存	老师在切换前记住第一个小朋友的状态，方便一会切回来继续满足他的需求
中断	突发事件导致老师暂停当前活动，处理紧急问题
资源争抢与解决办法	多个小朋友争抢玩具，老师协调和安排轮流使用或分享
实时操作系统	老师能够满足小朋友的需求，并按时完成时间要求
非实时操作系统	老师满足小朋友的要求，但不能保证完成任务的时间
硬实时	老师必须在规定时间内完成任务，否则会产生能够产生严重后果
软实时	老师尽量在规定时间内完成任务，但延迟不会产生严重后果

二，单片机的内存结构

寄存器组：地址范围0x00-0x1f。包含4组8位寄存器，分别R0-R7，对应的寄存器组选择由PSW中的RS0和RS1控制。

位寻址区：地址范围0x20-0x2f，包含了128位，可以直接使用位操作指令进行访问

字节寻址区：地址0x30-0x7f，用于一般数据存储

特殊功能寄存器（SFR）：地址范围0x80-0xff，包含了所有特殊功能寄存器，如P0,P1,P2,P3等端口寄存器，ACC累加器，B寄存器，SP栈指针等。

0x0000到0xffff，这是程序存储器的地址范围，用于存储程序代码。这些数据是存在FLASH中的。

Flash存储器用于存储程序代码，RAM用于存储临时数据、变量、堆栈。程序代码冲FLASH存储器加载到RAM中，然后由CPU执行。

三，程序执行顺序切换的原理

计算机系统，通过修改PC的值可以修改下一行要执行程序的汇编代码的位置，但实际上stc单片机是没有汇编语言修改pc值的。因为程序计数器通常是由硬件自动递增的，用于指向将要执行的下一条指令的地址。

但我们可以通过其他手段来简介修改PC值，汇编语言有JUMP,和CALL，他们的区别就是有木有修改SP（堆栈指针）的内容。

四，show code 

1，定义操作系统的loadtask函数

#include <stc8h.h>
#define MAX_TASKS 2 //任务的堆栈指针,简化方便我们当前操作系统只有2个task
#define MAX_TASK_DEP 32 //堆栈的深度

unsigned char task_sp[MAX_TASKS];
unsigned char task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP]; //每一个task任务的堆栈

2，写两个执行的task：task0， task1

unsigned char task_id;//当前任务号，从0 开始

void task0()
{
	//第0号任务，代表第0个小朋友做的事情
	unsigned int a = 3;
	while (1)
	{
		a += 3;
	}
}

void task1()
{
	//第1号任务，代表第一个小朋友做的事情
	unsigned int b = 5;
	while (1)
	{
		b += 5;
	}
}

3，通过修改sp来修改调用的函数

void main()
{
	task_load(task0, 0);//把task0装载到内存中
	task_id = 0;
	SP = task_sp[0];//特殊功能寄存器  

}

4，定义一个任务调度器

//定义一个任务切换的函数
//任务调度器
void task_switch() {
	
	task_sp[task_id] = SP;//把当前系统的堆栈指针存入到某个小朋友的task_sp里面

	task_id = (task_id + 1);//任务加1

	if (task_id == MAX_TASKS) {
		task_id = 0;
	}
	SP = task_sp[task_id];//SP存的是上下文信息

}

最终代码：

#include <stc8h.h>
#define MAX_TASKS 2 //任务的堆栈指针,简化方便我们当前操作系统只有2个task
#define MAX_TASK_DEP 32 //堆栈的深度

unsigned char idata task_sp[MAX_TASKS];
unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP]; //每一个task任务的堆栈
//iadata 访问最快的那一层空间  
unsigned char task_id;//当前任务号，从0 开始

//定义一个任务切换的函数
//任务调度器
void task_switch() {
	
	task_sp[task_id] = SP;//把当前系统的堆栈指针存入到某个小朋友的task_sp里面

	task_id = (task_id + 1);//任务加1

	if (task_id == MAX_TASKS) {
		task_id = 0;
	}
	SP = task_sp[task_id];//SP存的是上下文信息

}

void task0()
{
	//第0号任务，代表第0个小朋友做的事情
	static unsigned int a = 3;
	while (1)
	{
		a += 3;
		task_switch();
	}
}

void task1()
{
	//第1号任务，代表第一个小朋友做的事情
	static unsigned int b = 5;
	while (1)
	{
		b += 5;
		task_switch();
	}
}
//幼儿园老师，加载任务
//fn是一个函数的指针，注意数据类型是int
//tid  task id,是8位的  0，1
//把一个task的函数指针放入对应的堆栈空间
void task_load(unsigned int fn, unsigned chat tid)
{
	task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;//把任务的指针往下一个空间挪一格，两个char

	task_stack[tid][0] = fn & 0xff;
	task_stack[tid][1] = fn >> 8; 
}

void main()
{
	task_load(task0, 0);//把task0装载到内存中
	task_load(task1, 1);//把task1装载到内存
	task_id = 0;
	SP = task_sp[0];//特殊功能寄存器  

}

一个小的操作系统就是这样的，复杂一点的哥们还没学，继续加油兄弟们！