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400行程序写一个实时操作系统（十）：用面向对象思想构建抢占式内核

article 2024/10/19 11:03:11

前言

通过前几章的学习，我们学会了如何为RTOS设计一个合理的内存管理算法。现在，是时候学习设计RTOS内核了。
关于RTOS内核的文章也有很多，但都有一点先射箭再化靶子的意味。要么是代码连篇解释却寥寥无几，要么是要先怎么样再怎么样的说教式教程。并不是说这样的教程不好，而是他们缺乏读者普遍需要的东西，也就是更关键的思想方法！

为此，笔者决定：从我们的需求与应用出发，通过从结果思考过程的方式，使用面向对象的思想，逐步构建一个RTOS的内核。

程序 = 数据结构 + 算法

至于为什么要使用面向对象的思想，是因为面向对象思想本身和程序 = 数据结构 + 算法思想就是相通的，我们可以通过类和对象来表现数据结构，通过方法实现算法，从对象与对象的交互关系来构建，从而实现更加健壮的程序。

另外再借用linus的一句话：“Bad programmers worry about the code. Good programmers worry about data structures and their relationships.”

我们需要实现什么？

如果读者有过使用RTOS的经历，那么请你思考：RTOS实现了什么？带来了怎样的便利？

笔者先提出一点：多线程与优先级带来的实时性

RTOS将应用程序划分为多个独立的任务，也就是多线程。多线程允许同时执行多个任务，提高系统的处理能力和效率。例如，在嵌入式系统中，一个线程可以处理传感器数据，另一个线程可以更新用户界面。

实时性的需求，要求RTOS必须在指定的时间内完成关键任务。

我们创建一个又一个的任务，知道这是一个又一个的线程，它们可以并行执行。设置优先级时，我们知道优先级高的任务会优先执行，从而满足实时性。当我们想让任务同时且更有主次地执行时，我们第一个想到的就是使用RTOS。那么，强大的实时性与同时执行的任务，这就是我们想要实现的结果！但是，我们该如何去实现它呢？

如何实现实时性？

请读者想一想，我们创建任务设置优先级时，往往希望某些任务被优先执行，这是实时性实现的关键，也就是说，会有一个调度器来选择高优先级的任务，因此，我们得到了两个对象：任务和调度器。

调度器对象

通过上图我们可以推断，调度器会选择就绪列表中优先级高的任务。同时，就绪列表经常会发生变化，当优先级最高的任务发生变化，那么调度器还要切换任务，因此，我们得到了下图：

切换任务

切换任务时，我们肯定不希望先前任务的状态丢失，因此需要保存任务状态。线程（任务）切换如下：

1.保存之前运行的线程的上下文

2.选择优先级高的任务

3.调用准备运行的线程的上下文

因此有了下图：

保存任务状态，这部分就涉及到和任务对象的交互了。

任务对象

为了方便管理任务，比如设置优先级啥的，我们肯定需要一个任务控制块，也方便我们把任务挂载到就绪列表中。同时，我们要保存当前状态，也就是说我们需要内存，那么这段内存我们给它命名为栈。

任务控制块

一个任务需要记录任务栈的信息，也就是pxTopOfStack（栈顶）、pxStack（栈起始地址）、self_stack（栈对象）这三个结构体。为了实时性，我们还需要优先级。

把图进一步展开：

现在，我们关键的数据结构已经出来了，请读者写下这些代码,pxCurrentTCB就是当前执行的优先级最高的任务了：

sparrow.c

Class(TCB_t)
{
    volatile uint32_t * pxTopOfStack;
    unsigned long uxPriority;
    uint32_t * pxStack;
    Stack_register *self_stack;
};
typedef  TCB_t         *TaskHandle_t;

__attribute__( ( used ) )  TCB_t * volatile pxCurrentTCB = NULL;
typedef void (* TaskFunction_t)( void * );

栈对象

对于栈对象，我们要保存先前的任务状态，方便下一次任务执行时取出当前任务状态到CPU中，那么任务状态是CPU中的哪些信息呢？答案是寄存器：

以及XPSR，它是非常重要的特殊寄存器：

寄存器包括两部分寄存器，一部分是发生中断时硬件自动帮我们保存的寄存器，另一部分是需要我们手动保存的寄存器。

因此继续展开我们的图：

因此让我们写下代码：

Class(Stack_register)
{
    //automatic stacking
    uint32_t r4;
    uint32_t r5;
    uint32_t r6;
    uint32_t r7;
    uint32_t r8;
    uint32_t r9;
    uint32_t r10;
    uint32_t r11;
    //manual stacking
    uint32_t r0;
    uint32_t r1;
    uint32_t r2;
    uint32_t r3;
    uint32_t r12;
    uint32_t LR;
    uint32_t PC;
    uint32_t xPSR;
};