設計一個簡單的嵌入式系統(tǒng)

　　這個是在網(wǎng)上看到的一篇文檔，作者的目的是設計一個簡單的嵌入式操作系統(tǒng)，只實現(xiàn)一個基本任務調度器的功能。正如作者所說，雖然不能稱為操作系統(tǒng)，但已體現(xiàn)了小型嵌入式操作系統(tǒng)的精髓。對于我們來說是很好的學習資料，可以從中一窺操作系統(tǒng)的面目，今天分享給大家。

　　1、多任務機制

　　其實在單一CPU 的情況下，是不存在真正的多任務機制的，存在的只有不同的任務輪流使用CPU，所以本質上還是單任務的。但由于CPU執(zhí)行速度非常快，加上任務切換十分頻繁并且切換的很快，所以我們感覺好像有很多任務同時在運行一樣。這就是所謂的多任務機制。

　　實時系統(tǒng)的特征是延時可預測，能夠在一個規(guī)定的時間內（通常是 ms 級別的）對某些信號做出反應。

　　2、任務的狀態(tài)

　　任務有下面的特性：任務并不是隨時都可以運行的，而一個已經(jīng)運行的任務并不能保證一直占有 CPU 直到運行完。一般有就緒態(tài)，運行態(tài)，掛起態(tài)等。

　　運行態(tài)：一個運行態(tài)的任務是一個正在使用 CPU 的任務。任何時刻有且只有一個運行著的任務。

　　就緒態(tài)：一個就緒態(tài)任務是可運行的，等待占有 CPU 的任務釋放 CPU。

　　掛起態(tài)：某些條件不滿足而掛起不能運行的狀態(tài)。

　　3、如何轉化為就緒態(tài)

　　INT32U OSRdyTbl; /* 就緒任務表 */

　　上面定義一個 32 位變量，每一位代表一個任務，0 表示掛起狀態(tài)，1 表示就緒狀態(tài)。它記錄了各任務的就緒與否狀態(tài)，稱它為就緒表。OSRdyTbl 定義為 32 位變量，對應32 個任務。當然，定義為 64 位的話，便最多能支持 64 個任務。這樣，可以定義兩個宏，實現(xiàn)把任務的狀態(tài)變?yōu)榫途w或掛起態(tài)。

　　/* 在就緒表中登記就緒任務 */

　　#define OSSetPrioRdy（prio） { OSRdyTbl |= 0x01《《prio;} //把相應位置1

　　/* 從就緒表中刪除任務 */

　　#define OSDelPrioRdy（prio） { OSRdyTbl &= ~（0x01《《prio）; }//把相應位清零

　　任務之間互相獨立，不存在互相調用的關系。所有任務在邏輯上都是平等的。由于任務之間互相看不見，所以他們之間的信息傳輸就無法當面完成。這就需要各種通信機制如信號量，消息郵箱，隊列等來實現(xiàn)。

　　4、什么是搶占式調度？

　　調度的概念，通俗的說就是系統(tǒng)在多個任務中選擇合適的任務執(zhí)行。系統(tǒng)如何知道何時該執(zhí)行哪個任務？可以為每個任務安排一個唯一的優(yōu)先級別，當同時有多個任務就緒時，優(yōu)先運行優(yōu)先級較高的任務。同時，任務的優(yōu)先級也作為任務的唯一標識號。代碼中都是對標識號來完成對任務的操作的。

　　所謂“搶占式調度”是指：一旦就緒狀態(tài)中出現(xiàn)優(yōu)先權更高的任務，便立即剝奪當前任務的運行權，把CPU分配給更高優(yōu)先級的任務。這樣CPU 總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務。

　　5、多任務系統(tǒng)的時間管理

　　與人一樣，多任務系統(tǒng)也需要一個“心跳”來維持其正常運行，這個心跳叫做時鐘節(jié)拍，通常由定時器產(chǎn)生一個固定周期的中斷來充當。

　　OSTimeDly 函數(shù)就是以時鐘節(jié)拍為基準來延時的（在時鐘的中斷服務函數(shù)中，依次對各個延時任務的延時節(jié)拍數(shù)減1。若發(fā)現(xiàn)某個任務的延時節(jié)拍數(shù)變?yōu)?，則把它從掛起態(tài)置為就緒態(tài)。）。這個函數(shù)完成功能很簡單，就是先掛起當起當前任務，設定其延時節(jié)拍數(shù)，然后進行任務切換，在指定的時鐘節(jié)拍數(shù)到來之后，將當前任務恢復為就緒狀態(tài)。任務必須通過OSTimeDly或 OSTaskSuspend 讓出CPU的使用權（延時或等待事件），使更低優(yōu)先級任務有機會運行。

　　6、如何實現(xiàn)多任務？

　　只有一個CPU，如何在同一時間實現(xiàn)多個獨立程序的運行？要實現(xiàn)多任務，條件是每個任務互相獨立。人如何才能獨立，有自己的私有財產(chǎn)。任務也一樣，如果一個任務有自己的CPU，堆棧，程序代碼，數(shù)據(jù)存儲區(qū)，那這個任務就是一個獨立的任務。（CPU是通過多任務機制獲得的，其他的需要你分配）

　　TIPS：

　　如果一個任務正在運行某個公共函數(shù)時（如Printf）， 被另一個高優(yōu)先級的任務搶占，那么當這個高優(yōu)先級的任務也調用同一個公共函數(shù)時，極有可能破壞原任務的數(shù)據(jù)。因為兩個任務可能共用一套數(shù)據(jù)。為了防止這種情況發(fā)生，常采用兩種措施：可重入設計和互斥調用。

　　可重入函數(shù)中所有的變量均為局部變量，局部變量在調用時臨時分配空間，所以不同的任務在不同的時刻調用該函數(shù)時，它們的同一個局部變量所分配的存儲空間并不相同（任務私有棧中），互不干擾。另外，如果可重入函數(shù)調用了其他函數(shù)，則這些被調用的函數(shù)也必須是可重入函數(shù)。

　　實現(xiàn)互斥（獨占）訪問的方法有關中斷，關調度，互斥信號量，計數(shù)信號量等。

　　6.1 一個任務如何擁有自己的程序代碼

　　對于如何實現(xiàn)多任務，首先是程序代碼，每個任務的程序代碼與函數(shù)一樣，與51 的裸奔程序一樣，每個任務都是一個大循環(huán)。然后是數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由于全局變量是系統(tǒng)共用的，各個任務共享，不是任務私有，所以這里的數(shù)據(jù)存儲區(qū)是指任務的私有變量，如何變成私有？局部變量也。編譯器是把局部變量保存在棧里的，所以好辦，只要任務有個私有的棧就行。

　　TIPS：

　　臨界資源是一次僅允許一個任務使用的共享資源。每個任務中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區(qū)。

　　在多任務系統(tǒng)中，為保障數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，共享資源要互斥（獨占）訪問，所以全局變量（只讀的除外）不能同時有多個任務訪問，即一個任務訪問的時候不能被其他任務打斷。共享資源是一種臨界資源。

　　6.2 一個任務如何擁有自己的堆棧、數(shù)據(jù)存儲區(qū)

　　私有棧的作用是存放局部變量，函數(shù)的參數(shù)，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態(tài)數(shù)組，把棧頂指針SP指向棧的數(shù)組的首元素（遞增棧）或最后一個元素（遞減棧）。即可打造一個人工的棧出來。每個任務還要有記錄自己棧頂指針的變量，保存在任務控制塊（TCB）中。

　　什么是任務控制塊？

　　系統(tǒng)中的每個任務具有一個任務控制塊，任務控制塊記錄任務執(zhí)行的環(huán)境，這里的任務控制塊比較簡單，只包含了任務的堆棧指針和任務延時節(jié)拍數(shù)。任務控制塊是任務的身份證。它把任務的程序與數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，找到它就可以得到任務的所有資源。

　　6.3 一個任務如何擁有自己的CPU

　　最后來看看任務是如何“擁有”自己的CPU 的。只有一個 CPU，各個任務共享，輪流使用。如何才能實現(xiàn)？我們先來看看中斷的過程，當中斷來臨時，CPU 把當前程序的運行地址，寄存器等現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存起來（一般保存在棧里），然后跳到中斷服務程序執(zhí)行。待執(zhí)行完畢，再把先前保存的數(shù)據(jù)裝回CPU 又回到原來的程序執(zhí)行。這樣就實現(xiàn)了兩個不同程序的交叉運行。

　　借鑒這種思想不就能實現(xiàn)多任務了嗎！模仿中斷的過程就可以實現(xiàn)任務切換運行。任務切換時，把當前任務的現(xiàn)場數(shù)據(jù)保存在自己的任務棧里面，再把待運行的任務的數(shù)據(jù)從自己的任務棧裝載到CPU中，改變 CPU 的 PC，SP，寄存器等。可以說，任務的切換是任務運行環(huán)境的切換。而任務的運行環(huán)境保存在任務棧中，也就是說，任務切換的關鍵是把任務的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針SP。

　　創(chuàng)建一個任務。它接收三個參數(shù)，分別是任務的入口地址，任務堆棧的首地址和任務的優(yōu)先級。調用本函數(shù)后，系統(tǒng)會根據(jù)用戶給出的參數(shù)初始化任務棧，并把棧頂指針保存到任務控制塊中，在任務就緒表標記該任務為就緒狀態(tài)。最后返回，這樣一個任務就創(chuàng)建成功了。

　　當一個任務將要運行時，便通過取得它的堆棧指針（保存在任務控制塊中）將這些寄存器出棧裝入CPU 相應的位置即可。

　　6.4 如何實現(xiàn)搶占式調度？

　　基于任務優(yōu)先級的搶占式調度，也就是最高優(yōu)先級的任務一旦處于就緒狀態(tài)，則立即搶占正在運行的低優(yōu)先級任務的處理器資源。為了保證CPU 總是執(zhí)行處于就緒條件下優(yōu)先級最高的任務，每當任務狀態(tài)改變后，即判斷當前運行的任務是否是就緒任務中優(yōu)先級最高的，否則進行任務切換。

　　任務狀態(tài)會在什么時候發(fā)生改變呢？有下面兩種情況：

　　1、高優(yōu)先級的任務因為需要某種資源或延時，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務獲得執(zhí)行，這種調度稱為任務級的切換。如任務執(zhí)行OSTimeDly或OSTaskSuspend把自身掛起就屬于這種。

　　2、高優(yōu)先級的任務因為時鐘節(jié)拍到來，或在中斷處理結束后，內核發(fā)現(xiàn)更高優(yōu)先級任務獲得了執(zhí)行條件（如延時的時鐘到時）則在中斷后直接切換到更高優(yōu)先級任務執(zhí)行。這種調度也稱為中斷級的切換。

　　6.5 掛起/恢復任務

　　1掛起任務

　　通過 OSTaskSuspend可以主動掛起一個任務。OSTaskSuspend會把任務從任務就緒表中移出，最后重新啟動系統(tǒng)調度。這個函數(shù)可以掛起任務本身也可以掛起其他任務。

　　2恢復任務（OSTaskResume）

　　可以讓被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 掛起的任務恢復就緒態(tài)，然后進行任務調度。

　　嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品有哪些特點

　　有人說嵌入式系統(tǒng)就是微電腦，小的計算機。也有人稱嵌入式系統(tǒng)為后PC時代和后網(wǎng)絡時代的新秀。那么嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通用計算機，數(shù)字產(chǎn)品相比，利用嵌入式技術的產(chǎn)品有其自己的特點，下面小編詳細為大家介紹嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術以及其應用產(chǎn)品的特點。

　　1．由于嵌入式系統(tǒng)采用的是微處理器，實現(xiàn)相對單一的功能，采用獨立的操作系統(tǒng)，所以往往不需要大量的外圍器件。因而在體積上，功耗上有其自身的優(yōu)勢。相比之下，一個使用WindowsCE的PDA，僅靠機內電源就可以使用幾天，而任何一臺筆記本僅僅能夠支持3小時左右。

　　2．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術是將計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，是一門綜合技術學科。由于空間和各種資源相對不足，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力。

　　3．嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件高度結合的產(chǎn)物。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。片上系統(tǒng)，板上系統(tǒng)的實現(xiàn)，使得以pda等為代表的這類產(chǎn)品擁有更加熟悉的操作界面和操作方式，比著傳統(tǒng)的商務通等功能更加完善，實用。

　　4．為適應嵌入式分布處理結構和應用上網(wǎng)需求，面向21世紀的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)要求配備標準的一種或多種網(wǎng)絡通信接口。針對外部聯(lián)網(wǎng)要求，嵌入設備必需配有通信接口，相應需要TCP/IP協(xié)議簇軟件支持；由于家用電器相互關聯(lián)（如防盜報警、燈光能源控制、影視設備和信息終端交換信息）及實驗現(xiàn)場儀器的協(xié)調工作等要求，新一代嵌入式設備還需具備IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口，同時也需要提供相應的通信組網(wǎng)協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。為了支持應用軟件的特定編程模式，如Web或無線Web編程模式，還需要相應的瀏覽器，如HTML、WML等。

　　5．因為嵌入式系統(tǒng)往往和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)以其集成化，功能化廣泛應用于電子產(chǎn)品中。小編認為其主要的特點是功能化明確，用途相對具有針對性。嵌入系統(tǒng)技術的開發(fā)也相對大眾化，不像計算機系統(tǒng)需要龐大的團隊共同開發(fā)。嵌入系統(tǒng)可實現(xiàn)單人開發(fā)，當然協(xié)同開發(fā)更佳，其開發(fā)的門檻也相對較低。就因為這些特點，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展迅速，是當下熱門的職業(yè)選擇。