嵌入式简易操作系统剖析(二)

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这是我的第三十一篇原创文章

哎，这周过的真特么的憋屈，在弄USB打印机，又要搞USB协议栈，主要是USB打印机真鸡儿操蛋，不懂就是建立不了数据连接，如果有懂的小伙伴给我支支招呗。
上周写了一些关于嵌入式系统的文章，这篇我们就稍微的深入了解下任务调度呗，在ucos中核心就是任务调度，好多大神都说ucos的金典就是任务的调度。所以这篇文章写的不好的地方，还请多多宽待。
在我们嵌入式领域中，一般只有颗CPU，但是我们要实现多任务，这就要求我们有自己的堆栈，程序代码，数据存储区等，这一系列就是决定一个任务独立的最基本的条件。这个多说句，咱们人也是一样的，人要独立也得有自己的私有财产，让我们自己自由分配，不然怎么算的上最基本的独立呢？
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可重入与不可重入函数在多任务中还有一个问题，就是可重入函数与不可重入函数的概念。那什么是可重入函数，什么又是不可重入函数呢？举个例子，一个低优先级的任务正在运行，他在操作一个全局变量，可能已经改变它的数值，正想使用这个变量的时候，另一个高优先级的任务正好打断他们，也使用这个函数，改变了这个全局变量。
所以一般情况下可重入函数使用的数据为局部变量，不带静态局部变量的那种。还有一种如果有malloc和free的也不是可重入函数。这里有点比较重要的是，全局变量是系统各个任务共享的，所以在似乎用多任务操作系统中尽量不要使用全局变量。
如果两个任务共用一套数据，破坏原先的数据结构，这时候我们就引入两种方法解决：可重入函数的设计和互斥调用。互斥调用就是之前说的临界区。
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临界区临界区函数要求是互斥的，意思是说一次仅允许一个任务使用公共资源，中断也不可以影响，这个是为了保障数据的可靠性和完整性，我们之前使用的临界区是关中断的方式，其实还有一些，例如：使用互斥信号量，关任务调度等等。

这里要注意的地方是，在临界区的代码必须成对的出现，否则会出现不可预测的问题。我们使用临界区的时候，临界区的代码尽量短，因为一直在临界区中，别的任务是无法有使用CPU的机会的，这样会影响多任务系统的使用性能。
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任务堆栈大伙也知道，我们在创建任务的时候，除了会传入任务优先级，还会传入一个任务栈，这个任务栈其实就是一个全局变量的静态数组。为啥用数组呢？主要他是地址是线性的，我们在使用的时候，如果这个栈是递增栈，只需要将栈顶指针SP指向数组首元素；如果是递减栈，SP指针指向最后一个元素，这样就实现了一个任务的私有栈了。

要注意的是，我们传入的栈大小视情况设定，避免导致任务的栈溢出，出现不可预测的问题，甚至可能出现系统奔溃的问题。
到目前为止，我们只解决了一个任务栈的问题，但是还没有说明如何进行任务的切换调度的问题。我们要实现任务的切换，还有一个条件就是要知道各个任务的栈顶指针的变量。说白了就是要保存它，这里就引入一个任务控制块的概念。
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任务控制块什么是任务控制块呢？简单的说就是系统记录任务执行的环境，在ucos中任务控制块内容贼鸡儿长，长到什么地步呢？结构体有60多行，反正就是一张图片放不下呗。内容包括当前任务栈位置，任务栈大小，任务状态等等。




是不是特别的长，这里列出两个简单的务控制块，只包含了任务的堆栈指针和任务延时节拍数。

这个任务块结构体有点要注意的是，任务栈的栈顶凡在第一个位置，为什么这样做呢?原因是结构体首元素的首地址和结构体的地址是相同的，我们访问结构体的第一个元素，只需要得到结构体的地址即可。这个方式的好处我在之前的文章有介绍。感兴趣回头瞅瞅。
任务控制块是任务切换中的关键，也是任务的唯一标识，他里面保存任务的所有信息，他将任务的代码与数据链接起来，我们只要找到任务控制块就能找到任务的所有资源信息。
任务的三要素分别为：任务程序代码，任务私有堆栈和任务控制块。看下图可能就能了解任务控制块的重要性了。


目前为止，我们了解了任务的调度过程，但是还是少了一些细节，就是任务是如何进行切换的。这里就涉及到一些arm汇编的问题了，关于汇编我也不是很懂，反正不会就百度呗。
还有一点比较重要，就是在C语言中，我们是不可以直接访问SP指针，只能用汇编的形式，我们先定义一个结构体指针指向当前任务块，然后用汇编把当前任务的栈赋值给SP指针即可。代码示例如下：

汇编代码如下：
任务切换时，把当前任务的现场数据保存在自己的任务栈里面，再把待运行的任务的数据从自己的任务栈装载到 CPU 中，改变 CPU 的 PC，SP，寄存器等。可以说，任务的切换是任务运行环境的切换。而任务的运行环境保存在任务栈中，也就是说，任务切换的关键是把任务的私有堆栈指针赋予处理器的堆栈指针 SP。部分代码示例如下：

任务调度的汇编函数示例如下：

上面的代码看不同没关系，我们只需要知道的他是怎么实现任务切换的的就可以了，毕竟我们并不是写操作系统的，任务切换流程图如下：

好吧，这篇文章先写到这里，我想可能没有多少人能耐心的看到这里，能看到这里的人，个人觉得是真正想了解系统的人。再者我写的也比较简单，因为微信文章与文档还有差别的，只是给大伙介绍为主，并不是以实现为目的。
那就这样吧，周末愉快，大伙。还有还有，有了解USB协议栈的可以带我学习学习，感激不尽！

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