从零开始构建嵌入式实时操作系统3—

1.前言

一个行者问老道长：“您得道前，做什么？”老道长：“砍柴担水做饭。”行者问：“那得道后呢？”老道长：“砍柴担水做饭。”行者又问：“那何谓得道？”老道长：“得道前，砍柴时惦记着挑水，挑水时惦记着做饭；得道后，砍柴即砍柴，担水即担水，做饭即做饭。”

是不是茅塞顿开？生活中许多至高至深的道理往往都是含蕴在一些极其简单的思想中，正所谓大道至简。完美的常常是最简单的，简单就是聪明，简单就是高级形式的复杂，简到极致，便是大智。厉害的人往往是把复杂的问题简单化，世上再大再难的事情，只要“一分为二”就可以分解成许多简单的事。

在软件设计五大原则中的单一原则，与大道至简的思想不谋而合。单一原则的核心思想是让软件模式结构简单，每个模块只实现一个功能。

2.设计背景

在enuo v0.02版本中增加了task.c 和 interface.c两个文件：
1、task.c 中包含了与任务操作相关的函数，如任务创建函数task_create和系统启动调度函数enuo_schedule。
2、interface.c中包含了与处理器硬件相关的操作，增强了系统的移植性。
在enuo v0.02版本中增加了任务抽象对象，任务相关的数据全部封装到任务抽象对象中。与此同时，在enuo v0.02版本中增加了链表数据结构，任务链表的作用是将多个任务串联起来，能高效地实现任务检索和操作。

3.设计目标

目前enuo系统可以创建任务，创建的任务在就绪表中，系统定时器可以轮询调度就绪表中的任务。显然任务创建后除了处于运行状态，任务还需要支持停止。因此这个版本为enuo增加一个停止表。

任务有两种状态就绪状态和停止状态，处理器会轮流执行就绪状态下的任务，停止状态下的任务不会得到运行。

在enuo 系统中就绪表和停止表都需要进行链表操作，因此完善链表操作并将链表独立出一个C文件，遵守单一原则。

4.设计环境

硬件环境是使用STM32F401RE为核心的自制开发板，软件环境是使用的KEIL V5.2 开发工具。

5.设计过程

5.1链表操作

链表需要实现两个基本操作：
1、按照顺序将节点插入链表
2、从链表中移除一个节点

链表需要实现排序操作，因此在链表结构中增加一个排序值sort_value，新链表新数据结构如下：

struct list_node_def
{struct list_node_def *  next;      /* 指向下一个列表节点 */struct list_node_def *  previous;    /* 指向上一个列表节点 */void     *owner;                     /* 指向链表节点拥有者 */uint32_t sort_value;             /* 链表排序数值*/
};

链表的初始化，插入和删除函数如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称  : list_initialise
* @描述  : 列表初始化
**********************************************************************************************************/
void list_initialise( list_t * const list )
{/* 滑动指针指向表头 */list->sliding_pointer = &list->head ;         /* 表头的前后指针设置为NULL */list->head.next = &list->head;   list->head.previous = &list->head;/* 表头的排序值为0 */list->head.sort_value = MIN_VALUE;
}
/*********************************************************************************************************
* @名称  : list_sort_insert
* @描述  : 按照sort_value值升序插入列表
**********************************************************************************************************/
uint8_t list_sort_insert( list_t * const list  , list_node_t * const new_node)
{list_node_t *seek;const uint32_t current_value = new_node->sort_value;uint16_t i = 0;/*   按照 sort_value值  找到对应位置  */for( seek =  & list->head ; seek->next->sort_value <= current_value; seek = seek->next )  {/*   限制查找次数  */if( (i++) > 255 )return 0;}/*   新节点插入列表  */new_node->next = seek->next;new_node->next->previous = new_node;new_node->previous = seek;seek->next = new_node;return 1;
}
/*********************************************************************************************************
* @名称  : list_remove
* @描述  : 列表删除一个节点
**********************************************************************************************************/
void list_remove( list_node_t  * const remove_node )
{/*删除节点 */remove_node->next->previous = remove_node->previous;remove_node->previous->next = remove_node->next;
}

list_sort_insert插入是参考sort_value数值进行升序排列。

列表中有一个滑动指针sliding_pointer，滑动指针指向当前节点，我们构造一个操作：插入链表时，将数据插入滑动指针的末尾。这种操作可以简化轮询任务时将新任务加入到链表尾部，代码如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称  : list_insert_sliding_pointer_end
* @描述  : 节点插入滑动指针指向的后
**********************************************************************************************************/
void list_insert_sliding_pointer_end( list_t * const list , list_node_t  * const new_node )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const seek = list->sliding_pointer;/* 节点插入滑动指针指向的后 */new_node->next = seek;new_node->previous = seek->previous;seek->previous->next = new_node;seek->previous = new_node;}

使用list_insert_sliding_pointer_end函数插入一个节点后的链表关系图如下：

使用list_insert_sliding_pointer_end函数再插入节点后的链表关系图如下：

使用list_remove函数移除一个节点后的链表关系图如下：

5.2任务操作

任务有以下三个个基本操作：
1、创建一个任务
2、停止一个指定任务
3、恢复一个指定任务

为了实现停止任务，需要创建一个延时等待列表。需要停止的任务放在延时等待表中。到目前为止enuo将拥有两个列表：

就绪表存放就绪状态的任务，延时等待表存放需要停止的任务，处理器会轮流执行就绪表中的任务，延时等待表中的任务不会得到运行。任务的操作函数如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称  : task_create
* @描述  : 创建任务
**********************************************************************************************************/
void task_create( task_tcb_t *task , task_function_t function , uint32_t *stack_space , uint32_t stack_number )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const new_node = &task->link;/* 链表使用者指向任务 */   task->link.owner = task;/* 插入滑动指针末尾 */  list_insert_sliding_pointer_end( &ready_list , new_node);/* 初始化任务栈  */  task_stack_init( (uint32_t *)task, function , stack_space , stack_number );
}
/*********************************************************************************************************
* @名称  : task_stop
* @描述  : 暂停任务
**********************************************************************************************************/
void task_stop( task_tcb_t *task  )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const new_node = &task->link;/* 移除原有链表关系 */list_remove(new_node);/* 插入滑动指针末尾 */    list_insert_sliding_pointer_end( &delay_list , new_node);
}
/*********************************************************************************************************
* @名称  : task_resume
* @描述  : 恢复任务
**********************************************************************************************************/
void task_resume( task_tcb_t *task  )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const new_node = &task->link;/* 移除原有链表关系 */list_remove(new_node);/* 插入滑动指针末尾 */    list_insert_sliding_pointer_end( &ready_list , new_node);
}

使用task_create函数创建task0任务后的就绪表和延时表的关系图如下：

使用task_create函数创建task1任务后的就绪表和延时表的关系图如下：

使用task_stop函数停止task0任务，任务停止后的就绪表和延时表的关系图如下：

使用task_resume函数恢复task0任务，任务恢复后的就绪表和延时表的关系图如下：

5.3任务调度

任务调度使用轮询的方法，再链表中读取下一个任务，并使用滑动指针sliding_pointer指向下一个节点。任务调度函数如下：

/*********************************************************************************************************
* @名称  : SysTick_Handler
* @描述  : 系统中断服务程序
**********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler(void)
{   list_t * const const_list = &ready_list ;                                                  /* sliding_pointer 实现循环滑动指向列表中的下一个节点 */                                     ( const_list )->sliding_pointer = ( const_list )->sliding_pointer->next;if( const_list ->sliding_pointer == & const_list ->head  )    {                                                                                       const_list->sliding_pointer = const_list->sliding_pointer->next;                      /* 若列表为ListEnd 则指向下一个  就是第一个  实现循环*/                            }next_task = const_list->sliding_pointer->owner;/* 请求切换任务 */TSAK_SWITCH_REQUEST;return;
}

任务切换使用TSAK_SWITCH_REQUEST宏，宏定义使用linux宏常用的do-while形式，TSAK_SWITCH_REQUEST宏如下：

5.4功能测试

enuo系统增加了任务停止和任务恢复功能，在task0中设计一个任务控制逻辑，周期性停止和恢复task1和task2两个任务。task0任务设计如下：

void task0(void)
{static uint16_t clk = 0;static uint16_t state = 0;while(1){if( ( ( clk++ )%9999 ) == 0 ) {task_debug_num0++;   /* 测试跟踪 */test_function();/* 控制任务1和任务2的运行状态*/switch( state ){case 0:/* 暂停任务1 任务2 */task_stop( &my_task1 );task_stop( &my_task2 );break;case 50:/* 恢复任务1 */task_resume( &my_task1 );break;case 75:/* 恢复任务2 */task_resume( &my_task2 );break;             default:break;                  }/* 周期计时 */if( state++ > 100 )state = 0;      }}
}

使用state设计一个状态机：
当state为0时停止task1和task2；
当state为50时恢复task1；
当state为75时恢复task2 。
如果功能正常运行结果为task0，task1和task2运行次数监控task_debug_num的数值之比约为4：2：1 。

6.运行结果

代码仿真运行后的结果如下：

task0，task1和task2运行task_debug_num的数值之比约为4：2：1
证明enuo系统的停止任务和恢复任务的功能正常。

希望获取源码的朋友们在评论区里留言。

未完待续…
实时操作系统系列将持续更新
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作者：李巍
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