[嵌入式]嵌入式工程师实现一个简单的操作系统（一）

操作系统中的任务与任务切换

1. 为什么要有任务？

????我们常常见到操作系统，也常常要学习操作系统，从一个小白的角度看，任何事情都有其对立的东西，或者说事务都是一步步发展的，既然有操作系统这个东西，那么也必然有无操作系统的软件。

????如果大家都有学习把玩过单片机，比如51单片机或者是STM32单片机，那么应该是都有无操作系统时代这样的经历。无操作系统时代，可以看作是有一个任务的操作系统。无操作系统时，软件的流程是怎么样子的？

无操作系统，裸机环境

/*
?*????无操作系统：
?*????四个功能函数只能依次顺序执行，
?*????在任意一个函数功能中出现阻塞的事件的时候，
?*?????比如某些功能需要一些延时操作，就会照成空空占用处理器的时间
?*????其他功能都无法得到执行
?*/
while(1)
{
????taskA();

????taskB();

????taskC();

????taskD();
}

带操作系统环境

/*
?*????带操作系统：
?*????四个功能函数随时都有可能被执行，
?*????在任意一个函数功能中出现阻塞的事件的时候
?*????操作系统可以进行任务调度和切换，去执行其他的任务
?*????从宏观上可以当作四个功能任务可以同事工作执行
?*/
taskA();

taskB();

taskC();

taskD();

所以我们需要一个操作系统，来提高我们处理器的效率，把处理器的每一刻都去做有意义的事情。

相当于是间接的提高了处理器的性能。

综上所述，有操作系统与无操作系统，最大的区别就是操作系统下可以宏观上并行的执行多个任务，并可以在任务之间切换，选择合适的任务在处理器执行。

所以我们来实现的一个操作系统，首先就是实现以下功能

• 可以创建任务
• 可以在不同的任务之间进行切换

有了上面的功能，就可以说是实现了从无操作系统到操作系统的转变

操作系统就是一个上帝视角，每一个任务都是一个无线循环的函数功能

void?taskA()
{
????initA();
????while(1)
????{
????????aaa();
????}
}

void?taskB()
{
????initB();
????while(1)
????{
????????bbb();
????}
}

2. 任务切换怎么实现

2.1 任务切换过程

????不知道大家对函数，处理器运行相关的知识有多少的了解。任务切换有点类似与函数调用的过程,但是也会有很多不同

void?taskA()
{
????initA();
????while(1)
????{
????????aaa();
????????bbb();
????????ccc();
????????ddd();
????}
}

void?taskB()
{
????initB();
????while(1)
????{
????????xxx();
????????yyy();
????????zzz();
????}
}

假设上面有2个无限循环执行的任务，可能的执行过程是这样的

aaa -> xxx -> bbb -> ccc -> yyy -> zzz -> xxx -> ddd -> aaa -> yyy

如上的执行过程，处理器在2个循环中来回执行，一定是发生了任务切换的过程

处理器执行一个函数的时候，有几个重要的要素：

• 堆栈
• PC 程序指针
• LR 程序返回指针
• 其他的通用寄存器

每一个函数有输入自己的堆栈内容，咋进入函数时候，开辟出堆栈空间，堆栈存放以下内容：

• 函数的参数
• 函数内定义的局部变量

因为每一个函数的参数和局部变量都是该函数私有的，并且不能被随意修改，所以在进行任务切换时候，要考虑一下堆栈

接着就是 PC 程序指针，处理器执行那一段代码程序，就是有PC指针决定，处理器总是从PC指针存放的地址去取指令执行。

所以让处理器从一个任务切换到另一个任务去执行，可能会与PC指针有关系了

2.2 任务切换需要作什么

我们想想一下如何从一个任务切换到另一个任务？

1、保护堆栈、保存堆栈

????一般的处理器都会包含一个SP堆栈寄存器，该寄存器存放了当前堆栈的地址。我们现在要进行任务切换，一段时间过后还要从其他任务切换回来。所以我们需要在切换之前吧堆栈的指针保存，在切换过程中吧目标任务的堆栈指针恢复

2、跳转到目标任务

????我们从当前任务切换到目标任务，需要在切换之前把当前运行的地址也保存下来，同理目标任务也已经保存了运行地址，所以切换目标任务就是把目标任务的保存的运行地址恢复，并且是恢复到PC指针，让处理器执行目标任务

3、保存通用寄存器

????通用寄存器在函数执行过程中存放了一些有用的信息，在任务切换之前要保存起来，在切换到目标任务的时候要恢复回来

4、上面的信息保存在哪里

????为每一个任务定义并创建一个结构体，用于保存上述重要的信息

2.3 准备切换任务的材料

上面介绍了任务切换需要什么，既然知道需要什么，那我们就开始着手准备

1. 定义一个保存任务的信息的结构体，包含上面需要的几个部分：

• 堆栈指针
• PC指针
• 通用寄存器存放

struct?task{????void?*sp;????void?*pc;????uint64_t?regs[32];}

1. 创建一个任务

创建任务，就需要填充任务的结构体，定义一个任务初始化函数，提供以下参数

• 任务结构体
• 堆栈地址
• 任务入口地址

/**
?*?@brief?创建一个任务
?*
?*?@param?t?任务结构体变量指针
?*?@param?sp_addr?该任务的堆栈地址
?*?@param?pc_addr?该任务的起始地址
?*?@return?int
?*/
int?task_init(struct?task?*t,?void?*sp_addr,?void?*pc_addr)
{
????t->sp?=?sp_addr;
????t->pc?=?pc_addr;

????return?0;
}

上述函数完成了一个任务的初始化

现在，我们准备好了任务需要的材料，就可以开始进行切换了

2.4 进行切换任务实现

具体的任务切换又可以分成几个种类：

• 从系统启动到第一个任务开始运行，当前没有任务，切换到第一个任务

  task_switch_to(struct?task?*task_to);
  

• 当前正在一个任务中，切换到另一个任务

  task_switch_from_to(struct?task?*task_from,?struct?task?*task_to)
  

  我们应该去思考如何填充实现上面的函数，当然了，这一部分是与具体的处理器体系结构相关联最大的部分

可以去了解下常用的RTOS在各个架构下是如何实现上述的功能，尤其是AARCH64架构,因为我目前的操作系统就是基于aarch64处理器架构的

关于上面2个任务切换函数的实现，已经上传到github的项目代码中，可以浏览查看

//根据C语言和汇编语言的调用过程，第一个参数存放在x0寄存器中
//我们函数传递的是任务结构体指针
task_switch_to:
????ldr?x1,?[x0]????//任务的pc地址是第一个参数，读取到x1寄存器
????mov?x30,?x1?????//把pc地址放入到x30寄存器，x30寄存器是lr寄存器，稍后切换完成以后返回时候就会返回到任务中执行

????add?x0,?x0,?8???//sp参数在结构体中偏移是八字节
????ldr?x1,?[x0]????//取出并设置sp地址
????mov?sp,?x1

????ret?????????????//函数返回，跳转到x30寄存器存放地址去执行

如果对上面的步骤不是很清楚，可以使用vscode配合gdb进行调试，单步执行代码跟踪处理器执行的过程,尝试一下是否可以正确完成任务切换

目前已经在github的项目中已经实现了上面的代码，可以下载并尝试调试和执行

项目地址：https://github.com/jhbdream/armv8_os.git

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