带信号量和抢占式的中断调度的mini操作系统(基于8051)

作者：时间：2012-08-10来源：网络收藏

做了7个文件,分别是
os_core.h //核心文件的参数定义
os_core.c //核心文件,包含进程的6种操作,系统级别的操作
task_switch.h //任务切换函数的定义
task_switch.c //任务切换函数的实现,采用抢占式中断调用(T2自动重载)
sem.h //信号量的定义,其实也就是3个函数,创建信号量,发送一个信号量,接收信号量,在教材里面讲得那么复杂,差点把人搞晕了,实现起来不要太简单
sem.c //信号量实现
main.c //任务以及它的操作和主函数包括在这里

//---------------------------------------------------os_core.h---------------------------------------------------------------//#ifndef __OS_CORE_H__#define __OS_CORE_H__#include reg52.h>typedef signed char int8s;typedef unsigned char int8u;typedef signed int int16s;typedef unsigned int int16u;typedef signed long int32s;typedef unsigned long int32u;//任务的5种状态#define TASK_STATUS_CREATE 0x00#define TASK_STATUS_RDY 0x01#define TASK_STATUS_SUSPEND 0x02#define TASK_STATUS_ENDED0x04#define TASK_STATUS_SEM0x08//任务控制块typedef struct {int8u task_status;//任务状态int8u task_priority;//任务的优先级int8u task_stack_top;//任务栈顶地址(保存任务栈顶的地址)int8u task_wait_tick;//任务延时等待次数}OS_TCB;#define MAX_TASKS 4//最大的任务数量//任务的优先级从小到大一次排列，数值越小，优先级越高#define TASK_STACK_DEPTH 17//最大任务堆栈深度（2字节程序地址+13字节寄存器数据+2字节中断过程保存字节）#define NUM_RESISTER_PUSHED 13//人工堆栈中需要被保存的寄存器数量（这里因为是8051，所以有13字节）extern idata volatile OS_TCB os_tcb[MAX_TASKS];//任务控制块列表extern volatile int8u task_running_id;//正在运行任务的标号extern volatile int8u os_res_list;//系统资源表，表示哪些资源是否被占用（最大为8个）extern volatile int8u idata task_stack[MAX_TASKS][TASK_STACK_DEPTH];//每个任务的任务栈extern volatile int8u task_int_list;//任务中断标记（最大为8个）extern volatile int8u int_count;//进入中断次数extern volatile int8u os_en_cr_count;//进入临界区次数#define os_enter_critical() {EA=0;os_en_cr_count++;} //进入临界区#define os_exit_critical() {if(os_en_cr_count>0){os_en_cr_count--;if(os_en_cr_count==0){EA=1;}}}//退出临界区//任务的六种操作void task_create(void (*task)(void),int8u task_priority);void task_delete(int8u task_id);void task_sleep();void task_wake();void task_suspend(int8u task_id);void task_resume(int8u task_id);//系统操作void os_init();//初始化系统void os_start();//开始系统void os_delay(int8u tick);//任务延时void os_task_idle();//空任务，具有最低优先级#endif//---------------------------------------------------os_core.c---------------------------------------------------------------//#include "os_core.h"#include "task_switch.h"idata volatile OS_TCB os_tcb[MAX_TASKS];//任务控制块列表volatile int8u task_running_id;//正在运行任务的标号volatile int8u os_res_list;//系统资源表，表示哪些资源是否被占用（最大为8个）volatile int8u idata task_stack[MAX_TASKS][TASK_STACK_DEPTH];//每个任务的任务栈volatile int8u task_int_list;//任务中断标记（最大为8个）volatile int8u int_count;//进入中断次数volatile int8u os_en_cr_count;//进入临界区次数/*********************************************************************************************************任务操作*********************************************************************************************************/void task_create(void (*task)(void),int8u task_priority) {static int8u i;static int8u task_id;static int8u *stack_point;for(i=0; iMAX_TASKS;i++) {//为任务分配id和资源（注意，task的id和资源的分配是自动的）if((os_res_list(0x01i))==0) {//如果是空的话，那么会从第0个开始分配，即第一个任务的ID号肯定是0，也就是空闲任务ID肯定是0task_id = i;os_res_list|=0x01i;break;}}os_tcb[task_id].task_status = TASK_STATUS_CREATE;//将任务置于创建态//为任务分配堆栈空间stack_point = task_stack[task_id];for(i=0; iTASK_STACK_DEPTH; i++) {//先清除堆栈*(stack_point+i) = 0;}*stack_point = (int16u)task; //任务低8位给task_stack[task_id][0]stack_point++;*stack_point = (int16u)task>>8; //任务高8位给task_stack[task_id][1]stack_point += NUM_RESISTER_PUSHED; //将13个寄存器位置保存起来//为任务添加属性os_tcb[task_id].task_stack_top = (int8u)stack_point;os_tcb[task_id].task_priority = task_priority;os_tcb[task_id].task_wait_tick = 0;os_tcb[task_id].task_status = TASK_STATUS_RDY;//将任务置于就绪态}void task_suspend(int8u task_id) { //挂起一个任务os_enter_critical();os_tcb[task_id].task_status = TASK_STATUS_SEM;//将该任务的状态置于被挂起的状态(由于信号量）os_exit_critical();if(task_id == task_running_id) {os_task_switch(); //调用一下任务切换，切换到其它任务}}void task_resume(int8u task_id) {os_enter_critical();if(os_res_list(0x01task_id) != 0) { //如果要恢复的任务存在os_tcb[task_id].task_status = TASK_STATUS_RDY;//将任务状态置于就绪态os_exit_critical();if(os_tcb[task_id].task_priority  os_tcb[task_running_id].task_priority) {os_task_switch(); //调用一下任务切换，切换到优先级更高的任务}}}/*void task_delete(int8u task_id) { //删除一个任务os_enter_critical();if(os_res_list(0x01task_id) != 0) { //如果要删除的任务存在os_tcb[task_id].task_status = TASK_STATUS_ENDED; //将任务状态置于结束态os_res_list = ~(0x01task_id); //释放任务使用的堆栈等资源os_tcb[task_id].task_wait_tick = 0;os_exit_critical();os_task_switch();}}*//*********************************************************************************************************系统操作*********************************************************************************************************/void os_init(){ //初始化系统EA = 0;//关闭总中断ET2 = 1;//开启定时器2中断T2CON = 0x00;//自动重载//T2MOD = 0x00;RCAP2H = 0xD8; //晶振使用12MHZ，定时时间10msRCAP2L = 0xF0;os_res_list = 0x00; //资源全部置空os_en_cr_count = 0; //进入临阶段0次task_create((os_task_idle),MAX_TASKS-1);//创建空闲进程，优先级为MAX_TASKS-1}void os_start(){//开始系统task_running_id = 0;//指示task_idle 为第一个运行的任务os_tcb[task_running_id].task_stack_top -= NUM_RESISTER_PUSHED;//去掉寄存器的堆栈，以免在调用的时候出现堆栈溢出SP = os_tcb[task_running_id].task_stack_top; //将空闲任务置于运行态TR2 = 1;//开启定时器2中断EA = 1;//开启总中断//while(1);//等待定时器中断的调用}void os_delay(int8u tick){//任务延时os_enter_critical();os_tcb[task_running_id].task_wait_tick = tick;//设置延时节拍数os_tcb[task_running_id].task_status = TASK_STATUS_SUSPEND;//将置于处于挂起态，等待延时os_exit_critical();os_task_switch();os_exit_critical();}void os_task_idle() {//空任务，具有最低优先级//static int8u i;while(1) {//os_enter_critical();//i++;//os_exit_critical();}}//---------------------------------------------------task_switch.h---------------------------------------------------------------//#ifndef __TASK_SWITCH_H__#define __TASK_SWITCH_H__#include "os_core.h"void os_task_switch();//任务调度#endif//---------------------------------------------------task_switch.c---------------------------------------------------------------//#include "task_switch.h"void os_task_switch(){//任务调度static int8u i;EA = 0;__asm PUSH ACC//保存寄存器__asm PUSH B__asm PUSH PSW__asm PUSH DPH__asm PUSH DPL__asm MOV A,R0__asm PUSH ACC__asm MOV A,R1__asm PUSH ACC__asm MOV A,R2__asm PUSH ACC__asm MOV A,R3__asm PUSH ACC__asm MOV A,R4__asm PUSH ACC__asm MOV A,R5__asm PUSH ACC__asm MOV A,R6__asm PUSH ACC__asm MOV A,R7__asm PUSH ACCos_tcb[task_running_id].task_stack_top = SP;//保存当前的堆栈指针//os_tcb[task_running_id].task_status = TASK_STATUS_RDY;//不用在这里修改当前任务的状态，已经在任务函数中修改过了task_running_id = 0;for(i=0; iMAX_TASKS; i++) {if((os_res_list(0x01i)) != 0) {//判断任务的资源是否还在使用，即任务是否还存在if(os_tcb[i].task_status == TASK_STATUS_RDY) {if(os_tcb[i].task_priorityos_tcb[task_running_id].task_priority) {task_running_id = i; //找到优先级最高的，而且处于就绪状态的任务，将它置位当前要运行的任务}}}}SP = os_tcb[task_running_id].task_stack_top;__asm POP ACC//恢复寄存器__asm MOV R7,A__asm POP ACC__asm MOV R6,A__asm POP ACC__asm MOV R5,A__asm POP ACC__asm MOV R4,A__asm POP ACC__asm MOV R3,A__asm POP ACC__asm MOV R2,A__asm POP ACC__asm MOV R1,A__asm POP ACC__asm MOV R0,A__asm POP DPL__asm POP DPH__asm POP PSW__asm POP B__asm POP ACCEA = 1;}void timer2_isr(void) interrupt 5 using 1 {int8u i;EA = 0;__asm MOV A,R0__asm PUSH ACC__asm MOV A,R1__asm PUSH ACC__asm MOV A,R2__asm PUSH ACC__asm MOV A,R3__asm PUSH ACC__asm MOV A,R4__asm PUSH ACC__asm MOV A,R5__asm PUSH ACC__asm MOV A,R6__asm PUSH ACC__asm MOV A,R7__asm PUSH ACCTF2 = 0;os_tcb[task_running_id].task_stack_top = SP;task_running_id = 0;for(i=0; iMAX_TASKS; i++) {if((os_res_list(0x01i)) != 0) {//判断任务的资源是否还在使用，即任务是否还存在if(os_tcb[i].task_status == TASK_STATUS_SUSPEND) { //只有被挂起的任务才能时间减少if(os_tcb[i].task_wait_tick != 0) {os_tcb[i].task_wait_tick--;if(os_tcb[i].task_wait_tick == 0) {os_tcb[i].task_status = TASK_STATUS_RDY;}}}if(os_tcb[i].task_status == TASK_STATUS_RDY) {if(os_tcb[i].task_priorityos_tcb[task_running_id].task_priority) {task_running_id = i; //找到优先级最高的，而且处于就绪状态的任务，将它置位当前要运行的任务}}}}SP = os_tcb[task_running_id].task_stack_top;__asm POP ACC//恢复寄存器__asm MOV R7,A__asm POP ACC__asm MOV R6,A__asm POP ACC__asm MOV R5,A__asm POP ACC__asm MOV R4,A__asm POP ACC__asm MOV R3,A__asm POP ACC__asm MOV R2,A__asm POP ACC__asm MOV R1,A__asm POP ACC__asm MOV R0,AEA = 1;}//---------------------------------------------------sem.h---------------------------------------------------------------//#ifndef __SEM_H__#define __SEM_H__#include "os_core.h"#define MAX_SEMS 2typedef struct {int8u os_event_state;//0：不可用，1：可用int8u os_task_pend_tbl;//等待信号量的任务列表}OS_EVENT;extern volatile OS_EVENT os_sem[MAX_SEMS];void os_task_sem_pend(int8u index);void os_task_sem_post(int8u index);void os_sem_create(int8u index,int8u state);#define os_sem_clean(index) os_sem[index].os_event_state = 0#endif//---------------------------------------------------sem.c---------------------------------------------------------------//#include "sem.h"volatile OS_EVENT os_sem[MAX_SEMS];void os_task_sem_pend(int8u index) {os_enter_critical();if(index MAX_SEMS) {if(os_sem[index].os_event_state!=0) {//信号量可用os_sem[index].os_event_state--;} else {os_sem[index].os_task_pend_tbl |= (0x01task_running_id);task_suspend(task_running_id);}}os_exit_critical();}void os_task_sem_post(int8u index) {int8u i;os_enter_critical();if(indexMAX_SEMS) {for(i=0; iMAX_TASKS; i++) { //找到的i是优先级最高且处于等待状态的任务if((os_sem[index].os_task_pend_tbl(0x01i)) != 0) {//如果要恢复的任务存在break;}}if(i  MAX_TASKS) {os_sem[index].os_task_pend_tbl = ~(0x01i);task_resume(i);} else {os_sem[index].os_event_state++;}}os_exit_critical();}void os_sem_create(int8u index,int8u state) { //初始化信号量if(index  MAX_SEMS) {os_sem[index].os_task_pend_tbl = 0;os_sem[index].os_event_state = state;}}//---------------------------------------------------main.c---------------------------------------------------------------//#include "os_core.h"#include "task_switch.h"#include "sem.h"void task_1(void) {static int8u i;while(1) {os_task_sem_pend(1);i++;P1 = 0x01(i%8);os_delay(100);os_task_sem_post(1);}}sbit led = P2^1;void task_2(void) {while(1) {os_task_sem_pend(0);os_task_sem_pend(1);led = 1;os_delay(10);led = 0;os_delay(10);os_task_sem_post(0);os_task_sem_post(1);}}void task_3(void) {static int8u j;while(1) {os_task_sem_pend(0);j++;P3 = 0x01(j%8);os_delay(100);os_task_sem_post(0);}}int main(void) {os_init();P1=0;P2=0;P3=0;os_sem_create(0,1);os_sem_create(1,1);task_create((task_2),0);task_create((task_1),1);task_create((task_3),2);os_start();return 0;}

总结:
在51单片机上实现操作系统是我们不常讨论的话题，其实操作系统还是有蛮大的用处的，上次我写了一篇文章：一个简单的51单片机操作系统的实现，连接是：http://www.51hei.com/mcu/1325.html，这篇其实是对上篇文章的补充.实现更多的一些功能，希望大家多多指点啊.

实现了任务的互斥，使得两个任务之间能够互斥运行，但是不能是两个以上，因为系统采用的是抢占式的中断调度，所以两个以上任务公用一个信号量，会出现优先级较低的那个任务出现饥饿的情况。
任务的实时性是很有保障的，因为内部函数比较简单，所以不存在嵌套中断的说法。
计算一下程序使用的RAM，一共使用大概101字节，剩余107字节可用，感觉还不错.
现在已经成功地实现信号量的功能。
剩下的还有邮箱、事件、内存等等了，不过由于8051RAM空间还是小了些，如果能扩充到4KB以上，发展潜力倒是会有很大的提高，不过外置RAM肯定速度上比不了内置的。
自己动手做51操作系统现在暂时告一段落，操作系统还是在片上资源丰富的系统上用比较好，不过STC的那个最NB的STC90C516AD拥有4KB的RAM和62KB的ROM用起来也可以的。价格也不贵,有空再去尝试...
当任务多了的时候，任务的配置模块也很多，RAM里面84%以上的空间都是用于任务的各种属性的配置，包括任务堆栈和任务的互斥。
希望接下来的复习能够更加认真！！！现在算是了却了我内心中的一桩心愿吧，真正实现了自己的操作系统！！！（功能匮乏，只有进程调度和互斥实现)

现在我才知道链表的操作是多么地耗费内存.创建一个指针就要3个字节,如果搞个链表出来,包括结构体,在资源不那么丰富的8051上(操作系统中),简直是宰牛用杀鸡刀,完全吃不消.但是如果是AVR或者ARM等片上资源丰富的单片机,那就不存在了.

为什么手机的操作系统里面一个安装文件动不动就几MB的大小,为什么Android中的程序动不动就占用几MB的内存?

这就和操作系统有很大关系了,创建一个任务,给它定义进程控制块,堆栈,还要包括它的GUI,别看图形界面特别简单,实际上采用图形界面还是相当吃内存的.在进程切换中,保存堆栈和一些进程信息,这又得占用一部分内存.Android因为采用虚拟机的缘故,这虚拟机它也得吃内存啊,开个程序就有个虚拟机跟着,速度当然不如symbian了.可惜symbian内存和cpu的频率比较低...

所以内存占用和系统任务的个数是线性关系的.当某个程序比较大,它占用内存越多,而且可能会频繁地读取内存,这样就会造成其它程序速度变慢.这就是为什么在听歌的时候,上网有时会有点卡的原因之一.

系统启动的时候,会把程序加载进入内存中,当需要加载的程序数量过多时,自然就会比较卡.所以开机的时候会有一段延迟.