自己实现的一个RTOS《实时操作系统揭秘》

新年伊始，
将自己独立实现的一个比较小的RTOS源码贴上来，
顺便把原理都讲一讲，希望对在这块工作的朋友有些帮助或者启发
大家也给点改进的意见和建议。

本系列文章的标题叫做
《实时操作系统揭秘》


第一篇 前言
很多人对老美发明的操作系统顶礼膜拜，捧到了神的地步，
市面上也充斥着很多有关操作系统的劣质的译作
对其关键部分，大部都语焉不详，隔靴搔痒
让更多的人越看越糊涂
于是操作系统在人们心中更加高深了

其实，操作系统远没有这些人想象的那么神秘
任务切换，内存管理，文件系统，任务间通讯功能，引导程序等模块，
就形成了一个完整的操作系统内核
我们在这里就逐一剥一下操作系统的皮，
把各个模块的原理，以结合代码的形式，抖给大家看看
让大家看清操作系统的一些秘密
对某些模块，系统功能有兴趣的同学，
也可以发邮件给我，[e-mail]
我们一起研究，共同学习...


（注：
1，这系列文章，
都是按照目前工作中，手头项目的进度
以及涉及到的知识点所写出来的，
是个类笔记的东西，是业余时间的一个作品

2，附注的源码，
是个人的一个小作品，
自己给他取了个不响亮的名字：BenOS
并且该系统在自己的Cortex-M3平台测试通过并且运行自己的应用没有问题
）

103 个解决方案

#1

第二篇 任务切换，如何才能得到MM的青睐

操作系统最核心的功能就是任务切换

何为任务切换，为啥要任务切换
这个就简单说：
引入操作系统，就是为了让单个CPU可以运行多个任务
但是这些任务是并发运行的，
每个小猪吃一口奶，就让给另一个小猪吃一口
大家轮流来，宏观看起来就像所有的小猪都在同时吃奶一样

任务A正在运行，时间该任务B运行了，
这个时候，操作系统就需要做任务切换
于是，操作系统就保存 任务A目前跑到了哪一步，运行时候，所有的参数是啥子
然后在任务B恢复上次运行到的位置，并且恢复上次停止运行时间点的所有参数
再打任务B一鞭子，任务B就像没停止过一样，开始欢快的跑了。

这些，就是任务切换所需的全部步骤
针对目前我们使用的CORTEX-M3平台而言
任务切换就是，
首先
1，计算当前就绪态任务列表中，优先级最高的任务，
   再判断是否需要切换任务
2，保存当前任务运行相关的寄存器，大概十几个（入栈）
   保存当前任务运行地址（PC指针，其实在1里面保存了）
   保存当前的堆栈指针
3，递减各个任务等待的时间片计数器；
4，其他资源占用情况统计（死锁的解除）
5，然后将堆栈指针指向新任务的堆栈
6，恢复2中保存的所有寄存器和其他数据（出栈）
7，其他系统功能相关的东西
再给出例程代码：
        PUSH {R0-R15} ;(2)
        LDR     R4, =OSTCBCur           ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
        LDR     R4, [R4]
        STR     SP, [R4]                ; 

        LDR     R6, =OSTCBHighRdy   ; SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr 
        LDR     SP, [R6]

        POP {R0-R15}             ; (6)
        BX      LR                      ; RET，此时堆栈恢复了，寄存器恢复了，PC指针也恢复了，
                                        ; 状态也恢复了，旧任务就可以继续欢乐的执行了。

注：这里的堆栈指针都是另外赋值操作的，
    绝对不能使用出栈入栈的方式保存恢复
    因为出栈入栈操作会自动修改堆栈指针...

这里主要是（2），（6）的代码，并且没有考虑模式切换和堆栈指针切换，
其他步骤，一般实现都是在这切换之前进行。

任务切换在很多时候都会进行，常说的任务切换就是在时间定时中断时候进行，
芯片（或者由外部时钟）会产生一个定时中断，可以设置每秒多少次，
就是在这个中断处理函数中进行任务切换。
其他的任务切换，发生在，等待消息，任务延时，或者手动强制任务切换等等时候
这些不同的切换时机都有些小差别，不过本质上是一样的。

够简单吧？
其实实际上还有一些幕后工作并没有列出，
比如，内核要维护两个链表，其一是就绪态任务的表，其二是等待态任务的表
每个TICK中断的时候，等待态表中的每个等待TICKS计数器就减一，
当计数为0时，将其任务移动到就绪态表中来。
还是有其他一些繁琐的工作都要做，任务切换锁定检测，死锁检测，优先级反转的避免等；
并且死锁和优先级反转问题在实时系统中是个很深刻的课题，有兴趣的不妨自己做一做。
另外，指出一点：是依据时间片的操作系统，还是据优先级的抢占式操作系统，
还是混合多种切换算法的操作系统的根本区别就是其切换算法，
先进先出，后进先出，最短等待时间，最短平均等待时间，等等算法在这里都有用武之地！

下面是自己的一个实现：
/*
 *时钟中断函数
*/
void SysTick_Handler()
{
INT32 index;
TCB *pTCB;
INT8U flagFirstTask=0;
INT_Stat  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();

if (BenOSScheLock != 0)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return;
}

/*在时钟中断中，必须将所有时延都--*/
for (index = 0;index < TaskNUM;index++)
{
pTCB = BenOSTCBTable+index;
/*该任务在睡眠状态，而当前的调用是在时钟中断中*/
if (pTCB->TCBDelay > 0)
{
pTCB->TCBDelay--;
}
else
{
if (flagFirstTask==0)
{
BenOSNewTCB = pTCB;
flagFirstTask = 1;
}
}

}

if (BenOSNewTCB != BenOSCurTCB)
{
OSIntCtxSw();
}
BenOS_INT_Restore(stat);
}

/*
 *在非中断中 调度新的任务 并且切换
*/
void TaskSche()
{
INT_Stat  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();
if (BenOSScheLock != 0)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return;
}

if (BenOSNewTCB != BenOSCurTCB)
{
OSIntCtxSw();
}
BenOS_INT_Restore(stat);
}

__asm void OSCtxSw()
{
        LDR     R4, =NVIC_INT_CTRL     
        LDR     R5, =NVIC_PENDSVSET
        STR     R5, [R4]          ;激活PENDSVC中断，开始切换任务
        BX      LR
NOP
}


__asm void PendSV_Handler()
{
        MRS     R0, PSP                 ; PSP is process stack pointer

        SUB     R0, R0, #0x20           ; save remaining regs r4-11 on process stack
        STM     R0, {R4-R11}

        LDR     R4, =BenOSCurTCB         ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
        LDR     R4, [R4]
        STR     R0, [R4]                ; R0 is SP of process being switched out

        LDR     R4, =BenOSCurTCB         ; BenOSCurTCB  = BenOSNewTCB;
        LDR     R6, =BenOSNewTCB
        LDR     R6, [R6]
        STR     R6, [R4]

        LDR     R0, [R6]                ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
        LDM     R0, {R4-R11}            ; restore r4-11 from new process stack
        ADD     R0, R0, #0x20
        MSR     PSP, R0                 ; load PSP with new process SP
        ORR     LR, LR, #0x04           ; ensure exception return uses process stack
        BX      LR                      ; exception return will restore remaining context
NOP
}

#2

第三篇 世界的起源 任务如何启动

其实绝大部分操作系统的实现步骤都是这样的：
先压点合适的东西进堆栈----堆栈的初始化
（这步放在任务初始化的时候----切记关任务切换和定时中断）
只要恢复寄存器和其他数据之后
SP指针正确，状态寄存器没异常，
直接将PC指向新任务的第一条指令，不就行了嘛。
看下我们CORTEX-M3平台上的实现：（堆栈生长方向是--，跟X86相反）
/*把堆栈初始化模块用汇编写一遍，但愿性能会高点*/
__asm    STACK_TYPE *TaskStkInit (void (*task),STACK_TYPE *ptos)
{
 PUSH     {R4-R6,LR}
         MOV      R4,R0

         MOV      R0,R1
         MOV      R5,#0x1000000
         STR      R5,[R0,#0]

         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R4,[R0,#0]
         
         MVN      R5,#1
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]
         
         MOV      R5,#0x2
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]
         
         MOV      R5,#0x3
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]
         
         MOV      R5,#0x4
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]

 ASRS     R5,R5,#1
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]
         
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R1,[R0,#0]
         
         MOV      R5,#0x5
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]

         MOV      R5,#0x6
         SUBS     R6,R0,#4
         MOV      R0,R6
         STR      R5,[R6,#0]
         
         MOV      R5,#0x7
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]
         
         MOV      R5,#0x8
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]

         MOV      R5,#0x8
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]

         MOV      R5,#0x10
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]

         MOV      R5,#0x11
         SUBS     R0,R0,#4
         STR      R5,[R0,#0]

         MOV      R5,#0x12
         SUBS     R6,R0,#4
         MOV   R0,R6
         STR      R5,[R6,#0]
         POP      {R4-R6,PC}

}启动这个任务,就可以直接使用任务切换源码的后半部分(因为没有任务需要保存)
 这样PC就指向了新任务的入口，
新任务可以开始运行啦！
世界就这样形成了...

实际启动是使用SVC中断启动
代码如下：

__asm void StartTask()
{
        LDR     R4, =NVIC_SYSPRI2       ; set the PendSV exception priority
        LDR     R5, =NVIC_PENDSV_PRI
        STR     R5, [R4]

        MOV     R4, #0                  ; set the PSP to 0 for initial context switch call
        MSR     PSP, R4

        LDR     R4, =SYS_TICKS  ；设置时钟节拍频率     
        LDR     R5, =NVIC_SYSTICK_LOAD
        STR     R4, [R5]

        MOV     R4, #0x07       
        LDR     R5, =NVIC_SYSTICK_CTRL
        STR     R4, [R5]

SVC 0     ；呼叫SVC中断
NOP
}

/*SVC中断入口*/
__asm void SVC_Handler()
{
LDR R6,=BenOSCurTCB
        LDR     R0, [R6]                ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
        LDR     R0, [R0]                ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;

        LDM     R0, {R4-R11}            ; restore r4-11 from new process stack
        ADD     R0, R0, #0x20
        MSR     PSP, R0                 ; load PSP with new process SP
        ORR     LR, LR, #0x04           ; ensure exception return uses process stack
        BX      LR                      ; exception return will restore remaining context
}

#3

第四篇 任务延时的实现
这次，我们开始关心一个具体的系统接口的实现
OSTimeDly (INT16U ticks)

其实任务延时的实现已经在前面节拍中断中有所体现
在任务运行的过程中，常常需要任务等待很短的时间，再干活
比如
while(1 )
{
msg=GetMsg();
if (!msg)
OSTimeDly(10);/*等待10个时钟*/
                else
{
dosomething();
OSTimeDly(3);/*等待3个时钟*/
}
}
那么，任务如何知道自己该等待了？
如何知道自己等待了多久？
如何继续运行？
sleepMS()又隐藏了哪些秘密呢？

实现这些东西的原理是这样的
在每个任务TCB结构中，
都存在一个OSTCBDlyTicks元素
这个元素在每次定时中断切换的时候就减一
当减到0时，这个任务就可以继续运行了
具体的步骤如下：
1，OSTCBDlyTicks赋值为该等待的时钟次数
2，将该任务从就绪表中删除
3，将该任务添加到等待表中
4，在每次定时中断时，将所有等待表中任务的OSTCBDlyTicks减一，
   这样每个任务都知道自己还将等待多久
5，当某个任务的OSTCBDlyTicks减到了0，就将其在等待表中删除，添加到就绪表
这样，这个任务进入到了可运行的列表里面，时机到了，就会运行。
sleepMS的实现，其实很简单：
每个时钟中断的时间是固定的
计算就能得出sleepMS该等待的ticks次数啦
主要代码如下：
sleepMS(int ms)
{
ticks=ms*OS_TICKS_PER_SEC/1000;
OSTimeDly(ticks);
}

源码如下：
/*目前设计是最大等待次数为255个时钟片*/
__asm void  BenOSTimeDly (INT32 ticks) /*加了__asm 格式就没问题了*/
{
INT_Stat  stat = 0;
INT32   index;
TCB   *pTCB;

stat = BenOS_INT_Save();
BenOSCurTCB->TCBDelay = ticks;

/*从当前任务向后遍历，第一最大的优先级就是需要调度进去的任务*/
for (index = 0/*(BenOSCurTCB- BenOSTCBTable)+1*/; index < TaskNUM;index++)
{
pTCB = BenOSTCBTable+index;
if ((pTCB->TCBDelay == 0) && (pTCB->TaskStat !=BenOS_Task_Pend)   )
{
BenOSNewTCB = pTCB;

break;
}
}
BenOS_INT_Restore(stat);
TaskSche();
}

#4

LZ够强的
ＬＺ是完全自己写的代码还是参考一些Ｏpensource的ＯＳ来实现的？
不管怎么样，能仔细研究ＯＳ内核代码的就已经相当不错了

#5

事实上，这种基础软件方面的工作，在国内，都只做理论，
或者说少有人关注，实践的工作很少，基本上都是被国外的UCOS,FREERTOS,RTX,ucLinux概全了
而这些又是软件开发方面最核心的内容，
我们不关心，那么我们国人的软件开发永远走在老美之后，。
这个BenOS尽管不到商用水平，离工业标准很有距离，
但是也算是一个尝试，若不尝试，永远不知道味道，
我的这个帖子是完全原创的作品，第一发表在CSDN之上。
希望大家能理性的看到这种实验性质的OS，不要用别人做了十多年的产品去衡量！
当然，这个BenOS完全自己写的，没有抄袭任何其他OS的源码。



第五篇，信号量的实现
这里直接使用开关中断作为临界处理，
不值得推荐，但是比抄袭别人的方案要好点，哈哈~

实现很直观，代码告诉你一切！
/*当前信号量列表*/
SEMAPHORE_TYPE BenOSSemaphore[MAX_SEM_NUM];
/*
 * 创建信号量
*/
SEMAPHORE_TYPE* CreateSemaphore(INT32 conuter)
{
INT_Stat  stat = 0;
INT32U  index;

if (conuter < 0)
{
return 0;
}

stat = BenOS_INT_Save();
for(index=0;index<MAX_SEM_NUM;index++)
{
if (BenOSSemaphore[index]==-1)
{
BenOSSemaphore[index] = conuter;
BenOS_INT_Restore(stat);
return &(BenOSSemaphore[index]);
}
}

BenOS_INT_Restore(stat);
return (SEMAPHORE_TYPE*)NULL;
}

INT8 DeleteSemaphore(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
INT_Stat  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();

/*信号量不存在*/
if (pSem == NULL)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}
/*当且仅当信号量计数为0的时候，才能释放该信号量*/
if ((*pSem) != 0)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}
else
{
(*pSem) = (SEMAPHORE_TYPE)-1;
BenOS_INT_Restore(stat);
return 1;
}
}


/*这个是一个不完全精确的实现*/
/*其超时时间不会非常精确*/
INT8 WaitSemaphore(SEMAPHORE_TYPE* pSem,INT32U timeout)
{
INT32U  index;
INT32U  stat = 0;
for (index = 0;index < timeout;index++)
{
stat = BenOS_INT_Save();
if ((*pSem) > 0)
{
(*pSem)--;
BenOS_INT_Restore(stat);
return 1;/*获取到了信号量*/
}
else
{
/*等待一个时间片*/
BenOS_INT_Restore(stat);
BenOSTimeDly(1);
}
}

return 0;
}

/*不等待，立即返回是否信号量能否获取*/
INT8 GetSemaphore(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
INT32U  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();

if ((*pSem) > 0)
{
(*pSem)--;
BenOS_INT_Restore(stat);
return 1;/*获取到了信号量*/
}
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}

/*释放一个信号量*/
INT8 PostSemaphore(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
INT_Stat  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();
(*pSem)++;
BenOS_INT_Restore(stat);

return 1;
}

#6

第六篇 消息队列的实现

消息队列是嵌入式编程中常用的工具，
实现手段有很多，这里使用最直观，最简单的实现方式。
UCOS和RTX都使用了信号量的队列实现，
我这里也直接使用中断关闭的临界区来实现
（一般商用系统都不会使用这种方式，
以后考虑使用Cortex-M3的一些特殊指令来重新实现）

/*用于对于的标记消息队列是否使用，将来考虑用位来标志*/
INT8U MsgQueueFlag[MAX_QUEUE_NUMBER]={0};

/*实际的所有消息队列*/
EventQ MsgQueue[MAX_QUEUE_NUMBER];

/*
 * 创建消息队列
*/
EventQ* CreateQueue()
{
INT_Stat  stat = 0;
INT32U  index;

stat = BenOS_INT_Save();
for(index=0;index<MAX_QUEUE_NUMBER;index++)
{
/*该消息队列未被使用*/
if (MsgQueueFlag[index]==0)
{
/*该队列首尾初始化*/
MsgQueue[index].front=0;
MsgQueue[index].rear=0;
BenOS_INT_Restore(stat);
return &(MsgQueue[index]);
}
}

BenOS_INT_Restore(stat);
return (EventQ*)NULL;
}

INT8 DeleteQueue(EventQ* q)
{
INT_Stat  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();

/*信号量不存在*/
if (q == NULL)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}
/*队列指针越界*/
if ((( q-MsgQueue ) < 0)||(( q-MsgQueue ) > (MAX_QUEUE_NUMBER-1)))
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}

/*将标记位置0*/
MsgQueueFlag[q-MsgQueue] =   (INT8U)0;

BenOS_INT_Restore(stat);
return 1;

}

/*发送一个消息*/
INT8 SendMessage(EventQ* q,MSG_TYPE msg)
{
INT_Stat  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();
/*队列不存在*/
if (q == NULL)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}
/*队列指针越界*/
if ((( q-MsgQueue ) < 0)||(( q-MsgQueue ) > (MAX_QUEUE_NUMBER-1)))
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}


/*判断队列是否满*/
if((q->rear+1)%MAX_MSG_NUMBER==q->front)
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}
else
{
/*加入一个新的数据*/
q->msgQueue[q->rear]=msg;
/*将队尾数加1*/
q->rear=(q->rear+1)%MAX_MSG_NUMBER;
BenOS_INT_Restore(stat);
return 1;
}
}

MSG_TYPE WaitMessage(EventQ *q, INT32U timeout)
{
INT32U  index;
INT32U  stat = 0;
MSG_TYPE msg;


for (index = 0;index < timeout+1;index++)
{
stat = BenOS_INT_Save();

if (q->front==q->rear)//判断队列是否为空
{
BenOS_INT_Restore(stat);
BenOSTimeDly(1);
}
else
{
msg=q->msgQueue[q->front];//提出队首数据
q->front=(q->front+1)%MAX_MSG_NUMBER;//改变队首

BenOS_INT_Restore(stat);
return msg;
}
}

BenOS_INT_Restore(stat);
return -1 ;
}


 
MSG_TYPE GetMessage(EventQ *q, INT32U timeout)
{
MSG_TYPE msg;
INT32U  stat = 0;

stat = BenOS_INT_Save();
if (q->front==q->rear)//判断队列是否为空
{
BenOS_INT_Restore(stat);
return 0;
}
else
{
msg=q->msgQueue[q->front];//提出队首数据
q->front=(q->front+1)%MAX_MSG_NUMBER;//改变队首

BenOS_INT_Restore(stat);
return msg;
}
}

#7

第七篇 总结

BenOS目前支持基于优先级抢占式的任务切换，
我这边测试的结论显示：任务切换性能高于UCOS
因为任务切换运算的所有运算都分布放在系统调用之中，
（事实上，UCOS也是基于这种思想，但是没BenOS彻底）

内存使用量如下：（支持8个任务和8个信号量）
      Code (inc. data)   RO Data    RW Data    ZI Data      Debug   Object Name
      1100         32          0         32        192       4425   benoscore.o
       204         36          0          0          0        244   benoscpu.o
       268          6          0          0         32       4258   benossemaphore.o
内核代码约2K，OS的内存使用量小于300个字节

以上不包括消息队列，消息队列是静态分配，大小可以自己根据应用调整
目前在 STM32f101RB 128K-rom 16K-ram 运行稳定。
任务的结构如下：
typedef struct taskControlBlock
{

/*当前的栈顶指针*/
STACK_TYPE *pStackTop;

/*当前优先级*/
PRIORITY_TYPE CurPriority;
        
       /*任务状态*/ 
INT8U  TaskStat;

/*等待时间片的个数*/
INT32 TCBDelay;


} TCB, TASK_TYPE;


BenOS支持信号量和消息队列，
互斥量只是信号量的一个特例（原理上讲），所以没有支持；
优先级反转问题的解决没有实现，目前只能在应用中多考虑这点；
动态内存分配的接口，没有实现，目前业界有N多方案，可以直接拿来使用，跟平台无关
这里主要是考虑到不管那种方案，即考虑实时性，又考虑内存碎片，都不会非常好。


BenOS花了我上个月（08年12月份）所有的业余时间
从第一调试到能启动第一个任务，到后面的修修改改，到添加和测试各个模块
包括直接使用仿真器观察 任务切换，堆栈使用情况，测试信号量和消息队列
另外还移植了公司的一个小的应用项目到平台之上。
基本上运行稳定，在CPU高负荷的情况下，连续运行12个小时均正常（其中使用了信号量，消息队列等）

自己的测试结果：
高优先级任务抢占效果明显，比UCOS的抢占更好
同样的应用，6个任务同时运行（每个任务运行一圈，等待1个节拍），
1，在UCOS上，6个任务均能运行，
低优先级的任务每100个节拍才能运行1次，
高优先级的任务越为一个节拍一次

2，在BenOS上，6个任务均启动了，
但是只有4个任务能运行，高优先级的任务为一个节拍一次，
而最低优先级的任务两个任务根本抢占不到时钟。

#8

佩服一下，能自己写出RTOS，不简单，即便象你自己所说的：现在还达不到工业要求，但是有了开始才有希望，linux开始也是会让系统崩溃的。

粗略的看了一下，细节得慢慢看，再讨论。

先谈谈为什么设计成“低优先级根本抢不到时钟”这种方式呢？是有什么特殊的需求吗？还是在实际项目中吃过ucOS的“低优先级也能抢到时钟”的亏？

如果“低优先级任务”只是不需要一直被执行，但又希望“不停止”执行，那怎么办？比如一条接口消息，哪怕延迟10秒响应都无所谓，那么这个“低优先级任务”10秒能执行一次，和一次都执行不到，就是1和0的差别了。

#9

引用 8 楼 shuiyan 的回复:

佩服一下，能自己写出RTOS，不简单，即便象你自己所说的：现在还达不到工业要求，但是有了开始才有希望，linux开始也是会让系统崩溃的。 

粗略的看了一下，细节得慢慢看，再讨论。 

先谈谈为什么设计成“低优先级根本抢不到时钟”这种方式呢？是有什么特殊的需求吗？还是在实际项目中吃过ucOS的“低优先级也能抢到时钟”的亏？ 

如果“低优先级任务”只是不需要一直被执行，但又希望“不停止”执行，那怎么办？比如一条…

呵呵，只要高优先级的任务占用CPU不那么心切，
低优先级的任务肯定会有机会执行。

我这个测试代码里面抢占不到CPU，是因为高优先级等待时间太少（全是等待1个节拍）
而高优先级的任务差不多要一个节拍才能运行完，所以只有4个任务才能在最高优先级的一个节拍中，抢到运行时间；
而低优先级的任务就没那么好命了；
后面再贴一篇描叙一下实时抢占的原理。

#10

补充 
第八章 实时性和优先级反转
本来文章算是结束了，
但是考虑到实时性和相关的优先级反转问题，
在实时领域，是个很关键的问题，不提的话，感觉终究不算是完备，
所以画蛇添足，随便写点算了。

首先说多任务，
任务就是让一段“流程”，一般都是一遍又一遍的循环运行（死循环）。
一次“流程”运行一遍之后，常常会等待一段时间，
自己休息休息，也让其他任务也运行一下，
这就是多任务并行。
（大家都有房子住，这才是和谐社会嘛。）

在多任务的系统之中，实时性，就是让当前最高优先级的任务优先运行；
若当前最高优先级的任务不是当前正在运行的任务，那么就要给一个时机（时钟中断）,
让高优先级的任务运行，正在运行的（低优先级）任务等下再运行。
这就是实时系统中的抢占调度。

实时操作系统的本质就是，
让当前最高优先级的任务以最快的速度运行！
低优先级的任务得等高优先级任务自己挂起或者等待的时候才有机会运行。

由此看来，实时的多任务设计，难度在于：
要保证系统性能满足的需求，
在硬性保证高优先级任务在deadline之前运行完的同时
也要保证低优先级的任务顺利的完成自己的工作。

当然，这里就提出了优先级反转的问题了
典型情况如下：
高优先级的任务A要请求的资源被低优先级任务C所占用，
但是任务C的优先级比任务B的优先级低
于是任务B一直运行，比A低优先级的其他任务也一直能运行，
反而高优先级的任务A不能被运行了。

从实时性上讲，若高优先级在等待一个某个资源，
那么为了保证高优先级任务能顺利运行，
则必须要让当前占用该资源的任务赶紧运行下去，直到把资源释放。
再让高优先级的任务来占用这个资源。

优先级反转在RTOS中是一个很深刻的课题，
目前还没有非常好的解决方案。
在这个问题上，目前业界比较典型的做法是VxWorks的做法
原理如下：
当任务A请求的资源被任务C所占用的时候
则将C的优先级提升到任务A的级别，让占有资源的任务先运行，
这样能在一定程度上解决优先级反转的问题。
但是这样做，事实上破坏了实时系统里面运行优先级的意义...

其他，有些商业RTOS也提出了一些解决方案
比如常见的极限优先级方案：
将使用资源的任务优先级提升到系统*别
使得任何使用该资源的任务都能快速通过
但是，对优先级意义的破坏性，比优先级继承方案更大！

要是那位朋友有兴趣和勇气，提出了一个自己的好的解决方案，
那么在实时操作系统的发展史上，定会记录下你的名字。

#11

BenOS提供几级任务优先级？不同的任务肯定是不同的优先级？还是可能存在同一优先级的任务？没看到相关说明。

#12

引用 11 楼 shuiyan 的回复:

BenOS提供几级任务优先级？不同的任务肯定是不同的优先级？还是可能存在同一优先级的任务？没看到相关说明。

任务优先级的级数，不同的实现有不同的限制,
我的BenOS实现直接采用UINT8作为优先级计数，
那么可支持的优先级级数为256
可支持同一个优先级任务，UCOS不支持同样的优先级，
是由于其特殊的调度加速算法限制产生的，
一般的RTOS都能支持同样优先级的任务。

这种特性，在RTOS中并不是很关键，
所以没有特别说明。

附：（这些都可以根据应用要求，作自己的调整）
TCB数据结构
typedef struct taskControlBlock
{

/*当前的栈顶指针*/
STACK_TYPE *pStackTop;

/*当前优先级*/
PRIORITY_TYPE         CurPriority;

INT8U  TaskStat;

/*等待时间片的个数*/
INT32 TCBDelay;


} TCB, TASK_TYPE;
      
typedef unsigned char PRIORITY_TYPE;

#13

我对这个OS了解还是不够，先顶了，我觉得这个要置顶才行。支持楼主，我这个后辈向你学习。

#14

哈哈！不好意思冒昧问一下。怎么我看LZ的代码好像是在仿冒ucosII的代码。

#15

引用 14 楼 HKCID 的回复:

哈哈！不好意思冒昧问一下。怎么我看LZ的代码好像是在仿冒ucosII的代码。

您能不能明确指出，我什么地方仿了UCOS的源码？
是内核数据结构？任务调度算法？信号量?消息队列？
您读过UCOS的源码吗？
您要是说Small RTOS抄袭了UCOS的源码，我不反对，
但是BenOS的内核实现算法和数据结构与UCOS相比是完全不同，
这里连“参考”二字都算不上，更不用说“抄袭”了！

UCOS的特殊调度加速算法，一般的人学不来，
抄来了也是有不能支持同一个优先级的限制，
也有优先级级数的限制，
其信号量和消息队列的实现方式，您可以看下老外写的另一个RTOS：freertos

我不是北大教授，没有抄袭的毛病！

#16

顶楼主自己实现的一个RTOS，向你学习。

#17

就是因为知道跟uCOSII不一样，所以没敢多说。
毕竟一个RTOS的实现不是简单的，在没有完全读懂源代码之前，最好不要随意评价。

建议lz开个群，或者blog，甚至论坛，专门用来讨论的。

真的希望能发展成cn自己的开源RTOS项目。

#18

不错！
在这里有幸看到楼主的这篇帖子，深感欣慰！

仔细看了下楼主的思路，现提出一点。

另外，指出一点：是依据时间片的操作系统，还是据优先级的抢占式操作系统， 
还是混合多种切换算法的操作系统的根本区别就是其切换算法， 
先进先出，后进先出，最短等待时间，最短平均等待时间，等等算法在这里都有用武之地！

时间片和优先级抢占这两个功能并不冲突，完全可以一起实现。
在同等优先级的情况下，用时间片可以更好的运行多任务。事实上，如果一个系统不支持时间片，我觉得它的多任务还要打些折扣。
楼主可以参考下日本的T-Kernel内核，我觉得这个系统就做得非常棒，商业上也用得非常广，且是开源的。

另外，楼主可以设计出一个系统调用接口，实现内核态和用户态。内核和任务分开编译，任务使用内核时，进行系统调用即可。我曾用UCOS做过项目，这个系统不支持系统调用，每次都需要把任务和内核一起编译，很浪费时间。楼主可以参考linux下的系统调用。

在设计堆栈的时候，最好是把任务的堆栈和中断的堆栈分开处理，呵呵。在一些CPU里面，就有两个堆栈指针，一个指向用户程序，一个指向中断。我想，既然芯片设计师都推荐用2个栈，我们做软件的也可以参考这一点。

关于中断向量表，T-Kernel里面是可以动态注册和撤销向量表。这样在设计时会更加灵活。呵呵

希望我的这些建议能对楼主有些帮助。提醒楼主一点的是，框架一定要打好，一个功能一个功能的去实现。

#19

补充：
BenOS和uCOS的函数名，甚至变量都一样。
所以大家都以为你抄袭UCOS。呵呵
楼主你完全可以自己去命名函数和变量嘛，何必要用别人的呢
误会了不说，自己的风格又没有形成。
自己开发内核，一定要有自己的风格。

一定要强调：
这是BenOS,而不是uC/OS

#20

另外我想问下楼主：
如何设计时间片？
是在时钟中断里面将每个任务的运行时间计数递减吗？相同优先级的任务，在时间片的分配上是基于FIFO队列的吗？

#21

纯支持

#22

斑竹哪里去了，置顶啊。让大家能够长期跟帖，楼主开博客吧。这样比较牛B。让更多人参与才行。

#23

支持

#24

支持LZ

#25

支持！^_^

#26

赞一个，heh

#27

引用 18 楼 newlife_qqk 的回复:

不错！ 
在这里有幸看到楼主的这篇帖子，深感欣慰！ 

仔细看了下楼主的思路，现提出一点。 

另外，指出一点：是依据时间片的操作系统，还是据优先级的抢占式操作系统， 
还是混合多种切换算法的操作系统的根本区别就是其切换算法， 
先进先出，后进先出，最短等待时间，最短平均等待时间，等等算法在这里都有用武之地！ 

时间片和优先级抢占这两个功能并不冲突，完全可以一起实现。 
在同等优先级的情况下，用时间片…

首先多谢各位朋友的支持关心，
兄弟我写的这个OS，纯粹是个人一时头热，并无严格设计规划，
代码比freertos和ucos等都精简很多
或许，BenOSII，会重新认真考虑，到时候开个主页啥的~
因为最近在给公司的平台移植UCOS和FREERTOS，
所以写出的自己的OS函数名字都是比较雷同，没有新意，呵呵。

一些疑问回复如下：
1，BenOS目前是纯粹基于优先级抢占的操作系统，
同优先级的时间片轮转，实际还未实现（其实不难）
时间轮转调度的算法，基础就是时钟节拍，
根据先进先出的顺序（或者其他顺序）
来轮转运行同优先级的任务...
没啥玄虚在里面，多开个数据结构临时管理就够了，
只是考虑到性能的时候，要重新设计一下。

2，内核和任务分开编译...
其实原理并不复杂，但是实现起来，很繁琐，
涉及到ELF文件格式支持等等，
特别是堆栈就必须要动态分配了，
并且需要实现文件系统支持，一个人做的话，容易失去重心~

#28

另：已经做了个电子书放在CSDN里面，
可以下载下来读一下，
里面代码排版好点。

#29

支持，真有高人啊！

#30

电子书呢？

#31

[img=http://picasaweb.google.com/unix.lxx/BENOS#5287812593653922962][/img]

（不知道能不能显示）
这个是今天作的BenOS和UCOS的性能对比

#32

http://picasaweb.google.com/lh/photo/z4WmirOQ0UMOIP6xd62U0w?feat=directlink

再发一次看看

#33

最后还发一次
咋整个图片这么难呢？

<table style="width:auto;"><tr><td><a href="http://picasaweb.google.com/lh/photo/z4WmirOQ0UMOIP6xd62U0w?feat=embedwebsite"><img src="http://lh4.ggpht.com/_zTf8VO44hes/SWIVibOUPJI/AAAAAAAAACw/DTs3kasM1JE/s800/benos-ucos%E6%80%A7%E8%83%BD%E6%AF%94%E8%BE%83.JPG" /></a></td></tr><tr><td style="font-family:arial,sans-serif; font-size:11px; text-align:right">发件人 <a href="http://picasaweb.google.com/unix.lxx/BENOS?feat=embedwebsite">BENOS</a></td></tr></table>

#34

lz怎么发图片还这么复杂啊，还要提炼，唉。就帮忙提炼一下吧，免得大家还要费力找。
http://lh4.ggpht.com/_zTf8VO44hes/SWIVibOUPJI/AAAAAAAAACw/DTs3kasM1JE/s800/benos-ucos%E6%80%A7%E8%83%BD%E6%AF%94%E8%BE%83.JPG
BenOS VS ucOSII

#35

高人年年有，今年特别多

#36

重新用Thumb2的互斥访问指令实现了一次信号量
简单测试了一下，没有时间全面测试，
这些实现会加入到更新的电子书中去。

实现源码如下
（本人对ARM汇编不熟悉，恳请各位朋友多给意见）


__asm I8 BenOSGetSemaphore1(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
  PUSH {R1,R2,LR}
 
TryToRead_G
 LDREX  R2, [R0]
 CBZ   R2,GetFailed_G

ReadSuccess_G     ;Try to get sem
 SUB   R2, #1
 STREX  R1,R2,[R0]
 CBNZ   R1, GetFailed_G

GetSuccess_G
 MOV   R0, #1
 POP   {R1,R2,PC}

GetFailed_G
 MOV   R0, #0
 POP   {R1,R2,PC}
}
 
__asm I8 BenOSReleaseSemaphore1(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
  PUSH {R1,R2,LR}
 
TryToRead_R
 LDREX  R2, [R0]

ReadSuccess_R     ;Try to get sem
 ADD   R2, #1
 STREX  R1,R2,[R0]
 BNE   TryToRead_R

GetSuccess_R
 MOV   R0, #1
 POP   {R1,R2,PC}

GetFailed_R
 MOV   R0, #0
 POP   {R1,R2,PC}
}
 
__asm I8 BenOSWaitSemaphore1(SEMAPHORE_TYPE* pSem,I32U timeout)
{
  EXTERN BenOSTimeDly
 
 PUSH {R2,R3,LR}
 ADD  R1, #1
  
Loop_W
TryToRead_W
 LDREX  R2, [R0]
 CBZ   R2,Wait1Tick_W

ReadSuccess_W     ;Try to get sem
 MOV   R2, #0
 STREX  R3,R2,[R0]
 CBNZ   R3,Wait1Tick_W
 B   GetSuccess_W
 
Wait1Tick_W
 SUB   R1, #1
 CBZ   R1,GetFailed_W
 PUSH  {R0-R3}
 MOV   R0,#1
 LDR   R3,=BenOSTimeDly
 BLX   R3
 POP   {R0-R3}
 B   Loop_W
 

GetSuccess_W
 MOV   R0, #1
 POP   {R2,R3,PC}
 
GetFailed_W
 MOV   R0, #0
 POP   {R2,R3,PC}

}

#37

CU好多了，代码一发到这里就乱得不行！
今天还给一份BenOS内存分析

操作系统内核使用：
任务表 96+16个字节
                                注：20个字节/任务 * 8（默认任务个数）
                                
信号量 32个字节
注：4个字节/信号量 * 8（默认信号量个数）

消息队列 54个字节
注: 默认8条消息/队列 * 3 (默认3个消息队列)

空闲任务（Idle） 96个字节
                                注：每个任务最少需要96个字节的堆栈，推荐256个字节
                    
RAM使用统计：
一个原始的系统总共占用内存约为400个字节
其中内核占用内存不到300个字节

(注:根据armlink指示，另外还有96个字节的数据用于LIBSPACE.O文件，
这个查明，其实是开发环境在为main主函数初始化的时候用到)


2，代码量(包括ROM里面的只读数据)统计
内核 1200 个字节
信号量 300 个字节
消息队列 500 个字节

ROM使用统计
原始的系统代码小于2K
其中内核代码小于1.2K

#38

支持楼主
以前上学的时候没把学OS当回事只把C/C++当个宝
现在想来真是芝麻西瓜
现在一切重头来
希望与LZ一起努力
最好楼主能打个包给学习一哈

#39

引用 38 楼 KASTLO 的回复:

支持楼主 
以前上学的时候没把学OS当回事只把C/C++当个宝 
现在想来真是芝麻西瓜 
现在一切重头来 
希望与LZ一起努力 
最好楼主能打个包给学习一哈

已经做了份电子文档，在CSDN下载里面有下~

#40

之前的互斥读写实现的信号量有问题，
压力测试不能通过
今天重新实现了一次，测试互斥操作正常。

另外，使用位带（bit band）实现互斥操作，
有没有同学有较好的思路的？
给我点指点~

__asm I8 BenOSGetSemaphore1(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
 THUMB
 REQUIRE8
 PRESERVE8
 
  PUSH {R1,R2,LR}
 
TryToRead_G
  LDREX  R2, [R0]
  CMP R2,#0
  CBZ   R2,GetFailed_G
 
ReadSuccess_G     ;Try to get sem
  SUB   R2, #1
  STREX  R1,R2,[R0]
  CMP R1, #0
  BNE  TryToRead_G
 
GetSuccess_G
  MOV   R0, #1
  POP   {R1,R2,PC}
 
GetFailed_G
;  STREX  R1,R2,[R0] 
  MOV   R0, #0
  POP   {R1,R2,PC}
}
 
__asm I8 BenOSReleaseSemaphore1(SEMAPHORE_TYPE* pSem)
{
  PUSH {R1,R2,LR}
 
TryToRead_R
  LDREX  R2, [R0]
 
ReadSuccess_R     ;Try to get sem
  ADD   R2, #1
  STREX  R1,R2,[R0]
  CMP R1, #0
  BNE   TryToRead_R
 
GetSuccess_R
  MOV   R0, #1
  POP   {R1,R2,PC}
}
 
__asm I8 BenOSWaitSemaphore1(SEMAPHORE_TYPE* pSem,I32U timeout)
{
  EXTERN BenOSTimeDly
 
  PUSH {R1,R2,R3,LR}
  ADD  R1, #1
  
Loop_W
TryToRead_W
  LDREX  R2, [R0]
  CBZ   R2,Wait1Tick_W
 
ReadSuccess_W     ;Try to get sem
  SUB   R2, #1
  STREX  R3,R2,[R0]
  CMP R3, #0
  BNE  TryToRead_W
  B   GetSuccess_W
 
Wait1Tick_W
;  STREX  R3,R2,[R0]
  SUB   R1, #1
  CBZ   R1,GetFailed_W
  PUSH  {R0-R3}
  MOV   R0,#1
  LDR   R3,=BenOSTimeDly
  BLX   R3
  POP   {R0-R3}
  B   Loop_W
 
 
GetSuccess_W
  MOV   R0, #1
  POP   {R1,R2,R3,PC}
 
GetFailed_W
  MOV   R0, #0
  POP   {R1,R2,R3,PC}  
 
}

#41

引用 39 楼 Iamanders 的回复:

引用 38 楼 KASTLO 的回复:
支持楼主 
以前上学的时候没把学OS当回事只把C/C++当个宝 
现在想来真是芝麻西瓜 
现在一切重头来 
希望与LZ一起努力 
最好楼主能打个包给学习一哈 
 

已经做了份电子文档，在CSDN下载里面有下~

谢谢LZ，可以吧链接发出来不我去搜了哈没找到

#42

http://download.csdn.net/source/935476

搜索就有了，这个是链接；
手头没有ARM7的板子，模拟器没有外部tick time
没法测试我的BenOS

到时候只能发一个完整的Arm Cortex-M3的版本工程上来。

#43

ST的STM32板子不在我们部门，比较麻烦。
移植操作有考虑和说明吗？想移到另一个arm板上试试。

#44

已经将BenOS的源码上传了，
在CSDN下载里面能找到。

这个是Cortex-M3的版本，
ARM7的版本也会放上来，
不过需要有板子的朋友帮忙调试一下。
因为我没有板子，没法调试，
不过基本移植代码都写完了，
只是没有外部时钟，所以调度模块测试。

#45

引用 43 楼 shuiyan 的回复:

ST的STM32板子不在我们部门，比较麻烦。 
移植操作有考虑和说明吗？想移到另一个arm板上试试。

ARM7的一个基础版本，已经放上来了，
你可以下下来之后再自己修改一下，
在自己的平台运行。

另外，移植就不详细说明了，
比UCOS和FREERTOS的移植要简单点，
但是基本上的步骤都差不多。

#46

在CSDN上面上传过两次源码，但是都无法搜索到，
大家需要完整工程源码的朋友，可以去CU上面下载，如下是链接
http://bbs.chinaunix.net/thread-1346307-1-1.html

#47

不懂，帮顶

#48

不懂，帮顶

#49

mark 

#50

强帖留名!