「工程師故事」看看我是如何在單核處理器上完成並行RTOS多工的？

分類＼科技
時間＼2017-07-07

我們知道嵌入式作業系統內核與與一般的前後臺式系統，最大區別在於前者能併發的運行多個任務，同時會提供相關的一些服務機制，諸如任務間同步與通信、存儲管理、檔案系統、設備管理等，

使得應用程式設計能夠在作業系統平臺上進行而相對要簡單的多。在嵌入式系統中受限於硬體資源的限制，實現的內核不可能包含太多的功能。特別是像FreeRtos， uc/os這樣的內核，僅包含一組簡單的機制。如果做得最精簡化，那麼只需要像運行於51單片機上的rtx tiny那樣僅包含基本的任務管理機制即可。即使包含如此簡單的機制，應用作業系統在易用性上還是比傳統的後臺＋中斷的方式要容易的多。

整個嵌入式作業系統中，最核心的部分莫過於任務創建與啟動了。瞭解eos整個任務所有狀態及其變遷，系統的運行原理大致上也就清楚了。

如上圖所示，任務的初始狀態即為刪除狀態。所謂的刪除，即指只有任務的要執行的代碼存在，

而沒有任務控制塊（ task_struct ）結構，OS沒有為任務分配其它任務資源。

實際上，任務的狀態變遷，大致有：刪除態、就緒態、掛起態、運行態、阻塞態等幾種，我們將這些狀態視為任務從“出生”到“死亡”的活動過程。

這裡，我先來給大家簡單的作個描述：

在整個任務的活動過程，可以簡單的認為是給任務分配堆疊空間、控制塊，然後將控制塊在不同的佇列中插入和刪除，同時將儲存與恢復處理器內寄存器的內容。

不同的佇列可能對應於不同的狀態，比如說，任務控制塊在就緒佇列中即為就緒態，在信號量佇列中即處理阻塞態；當任務的堆疊空間、控制塊被回收了，任務也就消亡了。

單核上如何進行多工的並行處理？

在Atmega32上，有且僅有一塊cpu，不可能實現並行多工，而只能夠實現併發的多工。多個任務按照某種策略輪流使用CPU，以從整體運行結果上來實現多個任務的同時運行，

但在任意時刻，僅有一個任務佔用cpu，那麼如何實現這種偽並存執行？

首先考慮的是既然要實現多個任務並替使用cpu，而一個任務在大多數情況下，不可能在放棄cpu前已經執行完畢其代碼。這樣，任務就需要保存運行的狀態資訊，其備再次執行時恢復這些資訊，使得就如同執行中沒有發生中斷。任務的狀態資訊，除了保存在task_struct結構中的資訊外，還包括執行代碼執止時的代碼位址，

執行各種運行的區域變數，參數等待，這些一般都保存在處理器內的寄存器以及堆疊中。以Atmega32為例： Atmega32有32個通用寄存器R0-R31，狀態寄存器SREG，按照使用的AVR-GCC編譯器的說明，區域變數、參數傳遞的參數一般保存在通用寄存器中，當數量過多時會保存在堆疊中。所以針對Atemga32，要使得任務暫停運行後能恢復，需要保存任務的返回位址，R0-R31， SREG。所以eos在創建任務時，初始化這些資訊保存於堆疊中，由contex_init完成初始化：

而在kernel_start中的task-start執行時，則是從堆疊中取這些值，並恢復至cpu寄存器中。

任務切換時，當前任務自行保存執行狀態，同時恢復另一任務的執行狀態，實現任務切換。

這裡，我並不想對其詳細的工作機制作更進一步的說明。已經說過，這個內核是仿照uc/os實現的，所以這裡有關堆疊初始化和任務切換的工作機制只作了簡單的介紹，其原理和uc/os的一樣。有興趣的讀者可自行參考《嵌入式即時操作系統uc/os ii》中關於移植的章節，其中對這部分有深入的講解。

任務調度演算法：

調度器由scheduler實現，演算法也非常簡單，即從就緒表取最高優先順序任務運行。

。。.。。.

先在這裡小小埋個關子，完整的任務調度演算法實現，可以在後臺留言區進行提問。屆時，小編會邀請講師為大家做具體問題的詳細解答。想要學習完整的嵌入式即時操作系統（RTOS）多工切換、切換的具體過程、運行保存哪些狀態，應該如何保存。現在機會來咯！

7月10日晚上8點，資深開發工程師李述銅將為大家現場直播，詳細為大家講解RTOS的任務切換原理，以及它的切換過程。並通過以一個運行在ARM Cortex-M3內核的RTOS任務切換為例，讓這部分“神秘複雜”的知識變得“清晰可見”。學完之後，你將能從容地面對其它的RTOS。

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直播主要內容：

1、為什麼要進行任務切換

2、任務切換時的具體過程是怎樣的

3、任務切換時應該保存哪些狀態，如何保存

4、任務切換對任務運行以及整個RTOS的影響

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由contex_init完成初始化：