2021年01月12日 | 一步步写STM32 OS【四】OS基本框架

一、上篇回顾

上一篇文章中，我们完成了两个任务使用PendSV实现了互相切换的功能，下面我们接着其思路往下做。这次我们完成OS基本框架，即实现一个非抢占式（已经调度的进程执行完成,然后根据优先级调度等待的进程）的任务调度系统，至于抢占式的，就留给大家思考了。上次代码中Task_Switch实现了两个任务的切换，代码如下：

void Task_Switch()

{

  if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1)

    g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2;

  else

    g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;

  OSCtxSw();

}

我们把要切换任务指针付给跟_OS_Tcb_HighRdyP，然后调用OSCtxSw触发PendSV异常，就实现了任务的切换。如果是多个任务，我们只需找出就绪任务中优先级最大的切换之即可。

二、添加任务调度功能

为了实现这一目标我们至少需要知道任务的状态和时间等数据。我们定义了一个任务状态枚举类型OS_TASK_STA，方便添加修改状态。在OS_TCB结构体中添加了两个成员TimeDly和State，TimeDly是为了实现OS_TimeDly，至于State与优先级一起是作为任务切换的依据。

typedef enum OS_TASK_STA

{

  TASK_READY,

  TASK_DELAY,

} OS_TASK_STA;

typedef struct OS_TCB

{

  OS_STK *StkAddr;

  OS_U32 TimeDly;

  OS_TASK_STA State;

}OS_TCB,*OS_TCBP;

说到任务切换，我们必须面对临界区的问题，在一些临界的代码两端不加临界区进去和退出代码，会出现许多意想不到的问题。以下地方需要特别注意，对关键的全局变量的写操作、对任务控制块的操作等。进入临界区和退出临界区需要关闭和开启中断，我们采用uCOS中的一部分代码：

PUBLIC OS_CPU_SR_Save

  PUBLIC OS_CPU_SR_Restore

OS_CPU_SR_Save

    MRS     R0, PRIMASK

    CPSID   I

    BX      LR

OS_CPU_SR_Restore

    MSR     PRIMASK, R0

    BX      LR

#define  OS_USE_CRITICAL    OS_U32 cpu_sr;

#define  OS_ENTER_CRITICAL()  {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();}

#define  OS_EXIT_CRITICAL()   {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}

#define  OS_PendSV_Trigger() OSCtxSw()

一个OS至少要有任务表，我们可以用数组，当然也可以用链表。为了简单，我们使用数组，使用数组下表作为优先级。当然，必要的地方一定要做数组越界检查。

#define OS_TASK_MAX_NUM 32

OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM];

为了使OS更完整，我们定义几个全局变量，OS_TimeTick记录系统时间，g_Prio_Cur记录当前运行的任务优先级，g_Prio_HighRdy记录任务调度后就绪任务中的最高优先级。

OS_U32 OS_TimeTick;

OS_U8 g_Prio_Cur; 

OS_U8 g_Prio_HighRdy;

下面三个函数与PendSV一起实现了任务的调度功能。

OS_Task_Switch函数功能：找出已就绪最高优先级的任务，并将其TCB指针赋值给g_OS_Tcb_HighRdyP，将其优先级赋值g_Prio_HighRdy。注意其中使用了临界区。

void OS_Task_Switch(void)

{

  OS_S32 i;

  OS_TCBP tcb_p;

  OS_USE_CRITICAL

  for(i=0;i  {

    tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

    if(tcb_p == NULL) continue;

    if(tcb_p->State==TASK_READY) break;

  }

  OS_ENTER_CRITICAL();

  g_OS_Tcb_HighRdyP=tcb_p;

  g_Prio_HighRdy=i;

  OS_EXIT_CRITICAL();

}

OS_TimeDly至当前任务为延时状态，并将延时时间赋值给当前TCB的TimeDly成员，并调用OS_Task_Switch函数，然后触发PendSV进行上下文切换。OS_Task_Switch找到就绪状态中优先级最高的，并将其赋值相关全局变量，作为上下文切换的依据。

void OS_TimeDly(OS_U32 ticks)

{

    OS_USE_CRITICAL

    OS_ENTER_CRITICAL();

    g_OS_Tcb_CurP->State=TASK_DELAY;

    g_OS_Tcb_CurP->TimeDly=ticks;

    OS_EXIT_CRITICAL();

    OS_Task_Switch();

    OS_PendSV_Trigger();

}

SysTick_Handler实现系统计时，并遍历任务表，任务若是延时状态，就令其延时值减一，若减完后为零，就将其置为就绪状态。

void SysTick_Handler(void)

{

  OS_TCBP tcb_p;

  OS_S32 i;

  OS_USE_CRITICAL

  OS_ENTER_CRITICAL();

  ++OS_TimeTick;

    for(i=0;i    {

      tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

      if(tcb_p == NULL) continue;

      if(tcb_p->State==TASK_DELAY) 

      {

        --tcb_p->TimeDly;

        if(tcb_p->TimeDly == 0) 

          tcb_p->State=TASK_READY;

      }

    }

  OS_EXIT_CRITICAL();

}

当所有任务都没就绪怎么办？这时就需要空闲任务了，我们把它设为优先级最低的任务。WFE指令为休眠指令，当来中断时，退出休眠，然后看看有没有已就绪的任务，有则调度之，否则继续休眠，这样可以减小功耗哦。

void OS_Task_Idle(void)

{

  while(1)

  {

    asm("WFE"); 

    OS_Task_Switch();

    OS_PendSV_Trigger();

  }

}

当一个任务只运行一次时（例如下面main.c的task1），结束时就会调用OS_Task_End函数，此函数会调用OS_Task_Delete函数从任务表中删除当前的任务，然后调度任务。

void OS_Task_Delete(OS_U8 prio)

{

  if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return;

  OS_TCB_TABLE[prio]=0;

}

void OS_Task_End(void)

{

  printf("Task of Prio %d Endn",g_Prio_Cur);

  OS_Task_Delete(g_Prio_Cur);

  OS_Task_Switch();

  OS_PendSV_Trigger();

} 

三、OS实战

下面是完整的main.c代码：

复制代码

#include "stdio.h"

#include "stm32f4xx.h"

#define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024

#define TASK_1_STK_SIZE 128

#define TASK_2_STK_SIZE 128

#define TASK_3_STK_SIZE 128

#define TASK_IDLE_STK_SIZE 1024

#define OS_TASK_MAX_NUM 32

#define OS_TICKS_PER_SECOND 1000

#define  OS_USE_CRITICAL    OS_U32 cpu_sr;

#define  OS_ENTER_CRITICAL()  {cpu_sr = OS_CPU_SR_Save();}

#define  OS_EXIT_CRITICAL()   {OS_CPU_SR_Restore(cpu_sr);}

#define  OS_PendSV_Trigger() OSCtxSw()

typedef signed char OS_S8;

typedef signed short OS_S16;

typedef signed int OS_S32;

typedef unsigned char OS_U8;

typedef unsigned short OS_U16;

typedef unsigned int OS_U32;

typedef unsigned int OS_STK;

typedef void (*OS_TASK)(void);

typedef enum OS_TASK_STA

{

  TASK_READY,

  TASK_DELAY,

} OS_TASK_STA;

typedef struct OS_TCB

{

  OS_STK *StkAddr;

  OS_U32 TimeDly;

  OS_U8 State;

}OS_TCB,*OS_TCBP;

OS_TCBP OS_TCB_TABLE[OS_TASK_MAX_NUM];

OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP; 

OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP;

OS_U32 OS_TimeTick;

OS_U8 g_Prio_Cur; 

OS_U8 g_Prio_HighRdy;

static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE];

OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase;

static OS_TCB TCB_1;

static OS_TCB TCB_2;

static OS_TCB TCB_3;

static OS_TCB TCB_IDLE;

static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE];

static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE];

static OS_STK TASK_3_STK[TASK_3_STK_SIZE];

static OS_STK TASK_IDLE_STK[TASK_IDLE_STK_SIZE];

extern OS_U32 SystemCoreClock;

extern void OSStart_Asm(void);

extern void OSCtxSw(void);

extern OS_U32 OS_CPU_SR_Save(void);

extern void OS_CPU_SR_Restore(OS_U32);

void task_1(void);

void task_2(void);

void task_3(void);

void OS_Task_Idle(void);

void OS_TimeDly(OS_U32);

void OS_Task_Switch(void);

void OS_Task_Create(OS_TCB *,OS_TASK,OS_STK *,OS_U8);

void OS_Task_Delete(OS_U8);

void OS_Task_End(void);

void OS_Init(void);

void OS_Start(void);

void task_1(void)

{

    printf("[%d]Task 1 Runing!!!n",OS_TimeTick);

    OS_Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE-1],5);

    OS_Task_Create(&TCB_3,task_3,&TASK_3_STK[TASK_3_STK_SIZE-1],7);

}

void task_2(void)

{

  while(1)

  {

    printf("[%d]Task 2 Runing!!!n",OS_TimeTick);

    OS_TimeDly(1000);

  }

}

void task_3(void)

{

  while(1)

  {

    printf("[%d]Task 3 Runing!!!n",OS_TimeTick);

    OS_TimeDly(1500);

  }

}

void OS_Task_Idle(void)

{

  while(1)

  {

    asm("WFE"); 

    OS_Task_Switch();

    OS_PendSV_Trigger();

  }

}

void OS_TimeDly(OS_U32 ticks)

{

    OS_USE_CRITICAL

    OS_ENTER_CRITICAL();

    g_OS_Tcb_CurP->State=TASK_DELAY;

    g_OS_Tcb_CurP->TimeDly=ticks;

    OS_EXIT_CRITICAL();

    OS_Task_Switch();

    OS_PendSV_Trigger();

}

void OS_Task_Switch(void)

{

  OS_S32 i;

  OS_TCBP tcb_p;

  OS_USE_CRITICAL

  for(i=0;i  {

    tcb_p=OS_TCB_TABLE[i];

    if(tcb_p == NULL) continue;

    if(tcb_p->State==TASK_READY) break;

  }

  OS_ENTER_CRITICAL();

  g_OS_Tcb_HighRdyP=tcb_p;

  g_Prio_HighRdy=i;

  OS_EXIT_CRITICAL();

}

void OS_Task_Delete(OS_U8 prio)

{

  if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return;

  OS_TCB_TABLE[prio]=0;

}

void OS_Task_End(void)

{

  printf("Task of Prio %d Endn",g_Prio_Cur);

  OS_Task_Delete(g_Prio_Cur);

  OS_Task_Switch();

  OS_PendSV_Trigger();

}

void OS_Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk,OS_U8 prio)

{

    OS_USE_CRITICAL

    OS_STK  *p_stk; 

    if(prio >= OS_TASK_MAX_NUM) return;

    OS_ENTER_CRITICAL();

    p_stk      = stk;

    p_stk      = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u);

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL;                          //xPSR

    *(--p_stk) = (OS_STK)task;                                  // Entry Point

    *(--p_stk) = (OS_STK)OS_Task_End;                  // R14 (LR)

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL;                          // R12

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL;                          // R3

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL;                          // R2

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL;                          // R1

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u;                           // R0

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL;                          // R11

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL;                          // R10

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL;                          // R9

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL;                          // R8

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL;                          // R7

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL;                          // R6

    *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL;                          // R5