从0开始写一个操作系统

前文

之前很早就写过关于这方面的文章，但过于简陋，于是趁着有点时间再次整理了下，并以代码的角度进行讲解一下。【由于水平有限，如有错误请批评指正】

正文

0 本文写的一个简单OS所实现的目标

系统内核对外提供一些接口，主要有系统初始化，系统开启，任务创建及任务延时等。其功能原型如下：

void OS_Init(void);
void OS_Start(void);
void Task_Creak(void (*pfun)(void),INT8U *pStack,INT8U Task_ID);
void OSTimeDly(INT8U ticks);

1任务入口地址：

在程序中，对某个功能函数进行调用时，一般会采用【程序名（参数）】这种方式进行调用，如下：

int add(int a, int b)
{
   
	return a  +b;
}

int main()
{
   
	sum = add(1,2);//调用函数
	return 0;
}

而在OS中，是不直接采用【程序名（参数）】这种方式调用任务函数的，而是对传统函数调用在底层上的模拟（想了很久都没有找到合适的话来解释，如果我没讲明白，可以看接下来的具体代码解释）。了解过C语言的函数调用原理或者编译原理的同学都知道，程序有一个运行时结构，当在调用函数时，程序会终止对主调函数（对应上面例子中的main()函数）的执行，转而去执行被调函数（对应上面的例子的add()函数），于是变会将被调函数的入口地址赋值给PC指针（编译器的工作），而之前，程序会对被调函数执行完后的返回地址进行压栈（编译器的工作），当被调函数执行完后，该值会赋给PC指针（编译器的工作），以便继续执行中断的主调函数，不过由于退栈的缘故，被调函数的运行环境会在被调函数执行完毕后销毁掉。这也对应了操作系统原理中所说的【上下文环境的切换】，当然也不完全相同，只是类似，操作系统的上下文切换是由操作系统控制的，本质是对上述行为的模拟，不是由编译器控制的，再者上述的调用过程会销毁被调函数的运行环境，而操作系统的目的是要在多个任务函数上进行连续切换执行，因此需要对各任务函数的运行环境进行保存，这就是下面将讲到的任务私有堆栈的工作。

其实在C语言中（包括大部分语言）函数的函数名就表示函数的入口地址，该地址和变量地址一样需要使用一个指针变量进行存储，这就是所说的函数指针。上面的第一个例子可以改为：

typedef int(*FUN)(int a, int b);//定义一个合适的函数指针类型
int add(int a, int b)
{
   
	return a  +b;
}

int main()
{
   
	FUN ADD = add;
	sum = ADD (1,2);//调用函数
	return 0;
}

为了简便介绍，默认的任务函数为无参无返回值函数（当然，为了使任务函数更加灵活，也可以为任务函数进行传参，如果支持传参，需要在汇编部分将参数赋值给相应的寄存器），一个简单的任务函数。

typedef int(*TASKFUN)(void);//定义一个任务函数类型
void task1(void)//写一个任务函数，task1便是入口地址
{
   
	while(1)//任务函数必须是死循环函数，不然会跑飞
	{
   
		/*任务代码*/
		OSTimeDly(100);//我们写的是一个实时操作系统，不是分时系统，因此需要主动交出执行权限，该函数会在后面给出
	}
}

任务函数必须是死循环函数，因为写一个简单入门OS，不支持销毁销毁任务，想了解更加完善的OS可以看UCOS的源码，我也是一开始写了一个简单的OS后去看UCOS,会发现UCOS的最基本的内核和我们写的是差不多的，无非是功能更加完善。我也尝试对UCOS进行了相应裁剪工作（将一些不常用的功能剔除，或者将一些功能简化）并可正常运行,我一直都是围绕着这个简单的OS内核模型来思考的，因此我觉得写一个简单的OS模型还是有好处的，可以在用一些成熟的操作系统的时候，面对庞大的源码，也不至于思维混乱。即使在学习Linux这种分时操作系统也时有所帮助。

2任务私有堆栈：

上面已经提到，操作系统的目的是要在多个任务函数上进行连续切换执行，因此需要对各任务函数的运行环境进行保存，因此需要为每个任务必须有属于自己的堆栈，而对运行环境的保存的数据结构就是任务私有堆栈，也称为人工堆栈。人工堆栈大小需要谨慎选择，不能短也不能太长，短了会是溢出会可能修改其他任务的人工堆栈，产生调度紊乱。太长会浪费空间，尤其是像51这种硬件资源本就少的单片机。在这里，堆栈的空间的预留是通过数组来划分的，即静态分配，当然也可以采用动态分配。在建立任务时，要对堆栈初始化（这也很关键），将任务入口地址压到最底部（不同的单片机情况不同，这里以51为例，后面的也是），然后sp指向正确的堆栈位置（不同的单片机情况不同，要保存的寄存器个数不同），个人在设计中发现，为了不让sp越界，最好将堆栈最底部单元预留出来，避免浪费可以用来保存任务信息，比如堆栈使用情况。

#define MAX_TASK 2
INT8U Stack[MAX_TASK][27];

3任务控制块：

在操作系统中任务是以任务控制块来管理的,和人工堆栈一样每个任务也有属于自己的任务控制块。一旦任务被创建，系统便会为任务提供一个任务控制块，任务代码与任务控制块关联后便成为系统的一个进程。任务控制块是由结构体描述的，由于内核的精简，任务控制块只由两个成员组成，代码如下：

typedef  struct{
   
	//INT8U OSTCBStkPtr; //当前TCB堆栈指针
	INT8U OSTCBSP;
	//INT8U *OSTCBPREV; //前一个TCB指针
	//INT8U *OSTCBStkNext;//后一个TCB指照
	//INT8U OSTCBPSW;j
	// INT8U *OSTCBSP;
	// INT8U OSTCBPrio; //优先级
	// INT8U OSTCBRdy; //就绪状态
	INT8U OSTCBDly; //延时节拍
}OS_TCB;

idata volatile OS_TCB os_tcb[MAX_TASK];//定义任务控制块表

根据系统需求成员定义不同(一些成熟的OS会利用预编译来确定需要的成员，比如当配置时关闭一些功能，利用预编译判断不加入一些成员变量，从而达到节约内存的效果)，在这里，需求是自由延时服务的OS，只需要一个保存任务SP的成员变量和保存延时时间的成员变量，一些在一些成熟OS上常用的成员变量在这里可以注释掉。

5任务状态：

在操作系统中方便任务的管理，将任务分为不同的状态，为了精简系统，系统任务状态分为三种，如下图所示。

操作系统使用任务就绪表来记录任务的就绪情况，调度时从就绪表中获取优先级最高的就绪任务。

6 就绪表和查找表

利用就绪表和查找表可以在任务调度切换阶段，找到就绪表中优先级最高的任务，为节约数据空间，任务状态使用一个字节的位来储存任务的就绪状态，即就绪表为一个一字节变量，且位号代表优先级别，约定位0位最高级别，位7为最低状态。