一.什么是操作系统?



人脑比较容易接受"类比"这种表达方式,我就用"公交系统"来类比"操作系统"吧.

当我们要解决一个问题的时候,是用某种处理手段去完成它,这就是我们常说的"方法",计算机里叫"程序"(有时候也可以叫它"算法").
以出行为例,当我们要从A地走到B地的时候,可以走着去,也可以飞着去,可以走直线,也可以绕弯路,只要能从A地到B地,都叫作方法.这种从A地到B的需求,相当于计算机里的"任务",而实现从A地到B地的方法,叫作"任务处理流程"

很显然,这些走法中,并不是每种都合理,有些傻子都会采用的,有些是傻子都不采会用的.用计算机的话来说就是,有的任务处理流程好,有的任务处理流程好,有的处理流程差.
可以归纳出这么几种真正算得上方法的方法:
有些走法比较快速,适合于赶时间的人;有些走法比较省事,适合于懒人;有些走法比较便宜,适合于穷人.
用计算机的话说就是,有些省CPU,有些流程简单,有些对系统资源要求低.

现在我们可以看到一个问题:
如果全世界所有的资源给你一个人用(单任务独占全部资源),那最适合你需求的方法就是好方法.但事实上要外出的人很多,例如10个人(10个任务),却只有1辆车(1套资源),这叫作"资源争用".
如果每个人都要使用最适合他需求的方法,那司机就只好给他们一人跑一趟了,而在任一时刻里,车上只有一个乘客.这叫作"顺序执行",我们可以看到这种方法对系统资源的浪费是严重的.
如果我们没有法力将1台车变成10台车来送这10个人,就只好制定一些机制和约定,让1台车看起来像10台车,来解决这个问题的办法想必大家都知道,那就是制定公交线路.
最简单的办法是将所有旅客需要走的起点与终点串成一条线,车在这条线上开,乘客则自已决定上下车.这就是最简单的公交线路.它很差劲,但起码解决客人们对车争用.对应到计算机里,就是把所有任务的代码混在一起执行.
这样做既不优异雅,也没效率,于是司机想了个办法,把这些客户叫到一起商量,将所有客人出行的起点与终点罗列出来,统计这些线路的使用频度,然后制定出公交线路:有些路线可以合并起来成为一条线路,而那些不能合并的路线,则另行开辟行车车次,这叫作"任务定义".另外,对于人多路线,车次排多点,时间上也优先安排,这叫作"任务优先级".
经过这样的安排后,虽然仍只有一辆车,但运载能力却大多了.这套车次/路线的按排,就是一套"公交系统".哈,知道什么叫操作系统了吧?它也就是这么样的一种约定.




操作系统:


我们先回过头归纳一下:
汽车                                            系统资源.主要指的是CPU,当然还有其它,比如内存,定时器,中断源等.
客户出行                                        任务
正在走的路线                                    进程
一个一个的运送旅客                              顺序执行
同时运送所有旅客                                多任务并行
按不同的使用频度制定路线并优先跑较繁忙的路线    任务优先级


计算机内有各种资源,单从硬件上说,就有CPU,内存,定时器,中断源,I/O端口等.而且还会派生出来很多软件资源,例如消息池.
操作系统的存在,就是为了让这些资源能被合理地分配.
最后我们来总结一下,所谓操作系统,以我们目前权宜的理解就是:为"解决计算机资源争用而制定出的一种约定".

二.51上的操作系统

对于一个操作系统来说,最重要的莫过于并行多任务.在这里要澄清一下,不要拿当年的DOS来说事,时代不同了.况且当年IBM和小比尔着急将PC搬上市,所以才抄袭PLM(好象是叫这个名吧?记不太清)搞了个今天看来很"粗制滥造"的DOS出来.看看当时真正的操作系统---UNIX,它还在纸上时就已经是多任务的了.

对于我们PC来说,要实现多任务并不是什么问题,但换到MCU却很头痛:

1.系统资源少
在PC上,CPU主频以G为单位,内存以GB为单位,而MCU的主频通常只有十几M,内存则是Byts.在这么少的资源上同时运行多个任务,就意味着操作系统必须尽可能的少占用硬件资源.
2.任务实时性要求高
PC并不需要太关心实时性,因为PC上几乎所有的实时任务都被专门的硬件所接管,例如所有的声卡网卡显示上都内置有DSP以及大量的缓存.CPU只需坐在那里指手划脚告诉这些板卡如何应付实时信息就行了.
而MCU不同,实时信息是靠CPU来处理的,缓存也非常有限,甚至没有缓存.一旦信息到达,CPU必须在极短的时间内响应,否则信息就会丢失.
就拿串口通信来举例,在标准的PC架构里,巨大的内存允许将信息保存足够长的时间.而对于MCU来说内存有限,例如51仅有128字节内存,还要扣除掉寄存器组占用掉的8~32个字节,所以通常都仅用几个字节来缓冲.当然,你可以将数据的接收与处理的过程合并,但对于一个操作系统来说,不推荐这么做.
假定以115200bps通信速率向MCU传数据,则每个字节的传送时间约为9uS,假定缓存为8字节,则串口处理任务必须在70uS内响应.


这两个问题都指向了同一种解决思路:操作系统必须轻量轻量再轻量,最好是不占资源(那当然是做梦啦).

可用于MCU的操作系统很多,但适合51(这里的51专指无扩展内存的51)几乎没有.前阵子见过一个"圈圈操作系统",那是我所见过的操作系统里最轻量的,但仍有改进的余地.

很多人认为,51根本不适合使用操作系统.其实我对这种说法并不完全接受,否则也没有这篇文章了.
我的看法是,51不适合采用"通用操作系统".所谓通用操作系统就是,不论你是什么样的应用需求,也不管你用什么芯片,只要你是51,通通用同一个操作系统.

这种想法对于PC来说没问题,对于嵌入式来说也不错,对AVR来说还凑合,而对于51这种"贫穷型"的MCU来说,不行.
怎样行?量体裁衣,现场根据需求构建一个操作系统出来!

看到这里,估计很多人要翻白眼了,大体上两种:
1.操作系统那么复杂,说造就造,当自已是神了?
2.操作系统那么复杂,现场造一个会不会出BUG?
哈哈,看清楚了?问题出在"复杂"上面,如果操作系统不复杂,问题不就解决了?

事实上,很多人对操作系统的理解是片面的,操作系统不一定要做得很复杂很全面,就算仅个多任务并行管理能力,你也可以称它操作系统.
只要你对多任务并行的原理有所了解,就不难现场写一个出来,而一旦你做到了这一点,为各任务间安排通信约定,使之发展成一个为你的应用系统量身定做的操作系统也就不难了.

为了加深对操作系统的理解,可以看一看<<演变>>这份PPT,让你充分了解一个并行多任务是如何一步步从顺序流程演变过来的.里面还提到了很多人都在用的"状态机",你会发现操作系统跟状态机从原理上其实是多么相似.会用状态机写程序,都能写出操作系统.

三.我的第一个操作系统


直接进入主题,先贴一个操作系统的示范出来.大家可以看到,原来操作系统可以做得么简单.
当然,这里要申明一下,这玩意儿其实算不上真正的操作系统,它除了并行多任务并行外根本没有别的功能.但凡事都从简单开始,搞懂了它,就能根据应用需求,将它扩展成一个真正的操作系统.

好了,代码来了.
将下面的代码直接放到KEIL里编译,在每个task?()函数的"task_switch();"那里打上断点,就可以看到它们的确是"同时"在执行的.


#include <reg51.h>

#define MAX_TASKS 2       //任务槽个数.必须和实际任务数一至
#define MAX_TASK_DEP 12   //最大栈深.最低不得少于2个,保守值为12.
unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP];//任务堆栈.
unsigned char task_id;    //当前活动任务号


//任务切换函数(任务调度器)
void task_switch(){
        task_sp[task_id] = SP;

        if(++task_id == MAX_TASKS)
                task_id = 0;

        SP = task_sp[task_id];
}

//任务装入函数.将指定的函数(参数1)装入指定(参数2)的任务槽中.如果该槽中原来就有任务,则原任务丢失,但系统本身不会发生错误.
void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid){
        task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;
        task_stack[tid][0] = (unsigned int)fn & 0xff;
        task_stack[tid][1] = (unsigned int)fn >> 8;
}

//从指定的任务开始运行任务调度.调用该宏后,将永不返回.
#define os_start(tid) {task_id = tid,SP = task_sp[tid];return;}




/*============================以下为测试代码============================*/

void task1(){
        static unsigned char i;
        while(1){
                i++;
                task_switch();//编译后在这里打上断点
        }
}

void task2(){
        static unsigned char j;
        while(1){
                j+=2;
                task_switch();//编译后在这里打上断点
        }
}

void main(){
        //这里装载了两个任务,因此在定义MAX_TASKS时也必须定义为2
        task_load(task1, 0);//将task1函数装入0号槽
        task_load(task2, 1);//将task2函数装入1号槽
        os_start(0);
}



限于篇幅我已经将代码作了简化,并删掉了大部分注释,大家可以直接下载源码包,里面完整的注解,并带KEIL工程文件,断点也打好了,直接按ctrl+f5就行了.




现在来看看这个多任务系统的原理:

这个多任务系统准确来说,叫作"协同式多任务".
所谓"协同式",指的是当一个任务持续运行而不释放资源时,其它任务是没有任何机会和方式获得运行机会,除非该任务主动释放CPU.
在本例里,释放CPU是靠task_switch()来完成的.task_switch()函数是一个很特殊的函数,我们可以称它为"任务切换器".
要清楚任务是如何切换的,首先要回顾一下堆栈的相关知识.

有个很简单的问题,因为它太简单了,所以相信大家都没留意过:
我们知道,不论是CALL还是JMP,都是将当前的程序流打断,请问CALL和JMP的区别是什么?
你会说:CALL可以RET,JMP不行.没错,但原因是啥呢?为啥CALL过去的就可以用RET跳回来,JMP过去的就不能用RET来跳回呢?

很显然,CALL通过某种方法保存了打断前的某些信息,而在返回断点前执行的RET指令,就是用于取回这些信息.
不用多说,大家都知道,"某些信息"就是PC指针,而"某种方法"就是压栈.
很幸运,在51里,堆栈及堆栈指针都是可被任意修改的,只要你不怕死.那么假如在执行RET前将堆栈修改一下会如何?往下看:
当程序执行CALL后,在子程序里将堆栈刚才压入的断点地址清除掉,并将一个函数的地址压入,那么执行完RET后,程序就跳到这个函数去了.
事实上,只要我们在RET前将堆栈改掉,就能将程序跳到任务地方去,而不限于CALL里压入的地址.

重点来了......
首先我们得为每个任务单独开一块内存,这块内存专用于作为对应的任务的堆栈,想将CPU交给哪个任务,只需将栈指针指向谁内存块就行了.
接下来我们构造一个这样的函数:

当任务调用该函数时,将当前的堆栈指针保存一个变量里,并换上另一个任务的堆栈指针.这就是任务调度器了.

OK了,现在我们只要正确的填充好这几个堆栈的原始内容,再调用这个函数,这个任务调度就能运行起来了.
那么这几个堆栈里的原始内容是哪里来的呢?这就是"任务装载"函数要干的事了.

在启动任务调度前将各个任务函数的入口地址放在上面所说的"任务专用的内存块"里就行了!对了,顺便说一下,这个"任务专用的内存块"叫作"私栈",私栈的意思就是说,每个任务的堆栈都是私有的,每个任务都有一个自已的堆栈.

话都说到这份上了,相信大家也明白要怎么做了:

1.分配若干个内存块,每个内存块为若干字节:
这里所说的"若干个内存块"就是私栈,要想同时运行几少个任务就得分配多少块.而"每个子内存块若干字节"就是栈深.记住,每调一层子程序需要2字节.如果不考虑中断,4层调用深度,也就是8字节栈深应该差不多了.

unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP]

当然,还有件事不能忘,就是堆指针的保存处.不然光有堆栈怎么知道应该从哪个地址取数据啊
unsigned char idata task_sp[MAX_TASKS]

上面两项用于装任务信息的区域,我们给它个概念叫"任务槽".有些人叫它"任务堆",我觉得还是"槽"比较直观

对了,还有任务号.不然怎么知道当前运行的是哪个任务呢?
unsigned char task_id
当前运行存放在1号槽的任务时,这个值就是1,运行2号槽的任务时,这个值就是2....

2.构造任务调度函函数:
void task_switch(){
        task_sp[task_id] = SP;//保存当前任务的栈指针

        if(++task_id == MAX_TASKS)//任务号切换到下一个任务
                task_id = 0;

        SP = task_sp[task_id];//将系统的栈指针指向下个任务的私栈.
}


3.装载任务:
将各任务的函数地址的低字节和高字节分别入在
task_stack[任务号][0]和task_stack[任务号][1]中:

为了便于使用,写一个函数:  task_load(函数名, 任务号)

void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid){
        task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;
        task_stack[tid][0] = (unsigned int)fn & 0xff;
        task_stack[tid][1] = (unsigned int)fn >> 8;
}

4.启动任务调度器:
将栈指针指向任意一个任务的私栈,执行RET指令.注意,这可很有学问的哦,没玩过堆栈的人脑子有点转不弯:这一RET,RET到哪去了?嘿嘿,别忘了在RET前已经将堆栈指针指向一个函数的入口了.你别把RET看成RET,你把它看成是另一种类型的JMP就好理解了.

SP = task_sp[任务号];
return;

做完这4件事后,任务"并行"执行就开始了.你可以象写普通函数一个写任务函数,只需(目前可以这么说)注意在适当的时候(例如以前调延时的地方)调用一下task_switch(),以让出CPU控制权给别的任务就行了.


最后说下效率问题.
这个多任务系统的开销是每次切换消耗20个机器周期(CALL和RET都算在内了),贵吗?不算贵,对于很多用状态机方式实现的多任务系统来说,其实效率还没这么高--- case switch和if()可不像你想像中那么便宜.

关于内存的消耗我要说的是,当然不能否认这种多任务机制的确很占内存.但建议大家不要老盯着编译器下面的那行字"DATA = XXXbyte".那个值没意义,堆栈没算进去.关于比较省内存多任务机制,我将来会说到.
概括来说,这个多任务系统适用于实时性要求较高而内存需求不大的应用场合,我在运行于36M主频的STC12C4052上实测了一把,切换一个任务不到3微秒.


下回我们讲讲用KEIL写多任务函数时要注意的事项.
下下回我们讲讲如何增强这个多任务系统,跑步进入操作系统时代.

占位

顶一下，好思路！