底层工作者手册之嵌入式操作系统内核57.pdf

《底层工作者手册之嵌入式操作系统内核57.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《底层工作者手册之嵌入式操作系统内核57.pdf（219页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、提供源码，讲述原理从无到有，和你一起一步步编写实时嵌入式操作系统内核操作系统内核也许并没有像你想象的那么神秘底层工作者手册底层工作者手册之嵌入式操作系统内核嵌入式操作系统内核Wanlix 操作系统内核Mindows 操作系统内核我在写本手册前没有任何有关操作系统内核的知识，有的仅仅是简单的使用过 2 个操作系统的经验，也仅限于对操作系统应用层一些功能的简单了解。我在写操作系统内核时也只能从这些应用经验出发，参考一些资料，更多的是自己想办法用最顺其自然的代码实现操作系统的这些内核功能。因此，你要相信，既然我能在此基础上写出这个操作系统内核那么你一定也能看明白。本手册不仅仅是从应用的角度介绍操作系

2、统如何使用，更重要的是从原理的角度对操作系统的功能做了分析、设计，从无到有循序渐进一点点的增加操作系统的功能，并且每增加一个功能便配以一个例子加以演示，让读者能立刻看到代码运行的结果。本手册记录了我从对操作系统内核不了解到写出操作系统内核的过程，这样的一个过程对你来说应该也是一个最好的学习过程。如果你有一定的 C 语言基础，并且对硬件也有稍微的了解，那么我相信你一定会看明白本手册！也一定可以随心所欲的修改、扩展你需要的操作系统功能！书并不只是简单的翻译文档书可以写的让人看得更明白1前言前言目前我所见的绝大部分介绍操作系统的书籍只是从应用的角度告诉读者应该如何使用操作系统，而且相当一部分书籍只是

3、把原有的用户手册整理了一下便出书了，这样的书籍只能当做一本使用手册去查，从学习的角度来说意义不大，一不介绍实现背景、原理，二不介绍应用例子，无法让读者深刻体会操作系统的用法。本手册最大特点是从操作系统的结构设计、编码的角度讲述操作系统内核原理。本手册不是在操作系统写完后才写的，而是一边设计一边编码一边编写，记录了操作系统从无到有的过程，讲解了操作系统实现的原理，只要读者了解 C 语言，再对汇编语言和硬件稍微有所了解便能看懂本手册。05 年 4 月，经历了漫长的学生时代我终于参加工作了！在学校里接触了少的可怜的硬件开发，由于无人指导再加上本人做和尚撞钟，因此所调试的单板问题百出。进入公司后，当我

4、可在硬件与底层软件之间选择时我毫不犹豫的选择了软件，直至走到今天。最开始被分配到做微码，后来又阴错阳差的搞起了 C 语言底层软件开发。我刚入公司时可谓软件基础太差，学校里学的知识也使我仅知道一点 C 语言的概念，从来没有实战过。好在当时所作的项目编码阶段已经结束，我的工作就是学习别人的代码并帮助测试、修改问题，当然，做的也并不好。现在回想起来，在这平淡的工作过程中有三点对我至关重要，一、正是在这段时间培养起我比较扎实的 C 语言基础，不能说学到了很多，但绝对是让我明白了很多最基本的概念，让我知道了学习的方法。二、正是在这段时间我接触了项目的开发，让我参与到历时几年几百人相互协助的项目开发中，看

5、到大项目的开发过程，接触到了很多在学校里永远不会接触到的事物，这些经验对我今后至关重要，虽然只是冰山一角。三、正是在这段时间让我有机会第一次接触了嵌入式操作系统vxworks，虽然仅仅是嵌入式操作系统的一些应用层概念。由于我基础较差再加上我是慢热型，当时工作的并不好，一年半后几经周折我换到了一个小部门。以前几百人的开发团队不见了，众多的技术专家、牛人不见了，一二十层、几个、几十个 CPU 的板子不见了，取而代之的是巴掌大的单板，所谓专家就是我，我一个人就可以是整个项目的全部软件开发人员，设计软件结构、编写从驱动层到业务层的所有代码。以前所做的工作是冰山一角，只知功能不识业务，现如今则需要我承担

6、与软件相关的所有工作。正是在这种环境中我可以借鉴以前的一些经验并按照自己现有的想法设计软件，在实现系统功能的同时也证明了我在硬件、底层软件所掌握知识的正确性。从做大系统的冰山一角，到做麻雀虽小五脏俱全的小系统，各有各的难处，但也各有各的优点，这也为我编写这本手册提供了必要条件。在做这些小系统时有一个问题一直困扰着我，我所作的设备需要与主设备对接，主设备会实时下发命令给我们执行，并且需要实时回应消息，这样看来如果有一个嵌入式操作系统就会比较好实现。但我们的小系统硬件资源受限制，主频低、存储空间少，使得我很难找到一个合适的操作系统。现有的一些能用的操作系统需要收费，有些不提供源码，但让我最不能接受

7、的是资料不全，真看不明白，使用这些操作系统如果在项目开发过程中出了问题又没有很好的技术支持将是很大的风险，因此在做这些小系统时我一直是裸奔。裸奔是可以搞定一切，但对于系统设计、维护来说确实是比较费劲。在一个项目中我抛弃了原有的 51 单片机，使用了 ARM7TDMI 处理器。随着反复查看ARM 芯片手册并在项目调试过程中对 ARM7 芯片的逐步了解，我逐渐意识到实现一个简单的操作系统内核调度功能似乎并没有想象中的那么困难，原以为实现操作系统调度功能需要2深入了解编译器的知识，现在发现只要使用标准的 C 语言、一些汇编语言和芯片硬件知识就可以实现。整理一下我目前所处的情况：1.迫切需要一个适合小

8、系统的嵌入式操作系统，但又没有合适的。2.了解了嵌入式操作系统的一些概念。3.掌握了 ARM7 芯片的硬件结构、C 语言和汇编语言知识。4.找不到一本可以较好的介绍操作系统的书籍，希望能让更多的人了解嵌入式操作系统内核调度的基本原理，并以一种简单易懂的方式让更多的人接受。事已如此，万事具备！现在，我们就开始一起编写两个嵌入式操作系统内核Wanlix和 Mindows！Wanlix 是一个内核非常小的嵌入式操作系统，只有几百个字节（大小与编译器、编译选项也有关），但功能也非常少，只提供任务切换功能，而且需要主动调用函数切换任务。但，它确实可以实现任务调度功能，最难能可贵的是它的小巧，非常适合资源

9、特别少但又需要任务切换的小项目。在这个源码开放的时代，Linux、Unix 遍地生根，它就跟我姓了，因此叫 Wanlix。地球人都知道 Windows，它是一种大型 PC 机操作系统，它是分时操作系统，它是 PC机通用操作系统。而我们将要编写的 Mindows 则是一种小型操作系统，是实时的，是用在嵌入式设备上的嵌入式实时操作系统，一切都是与 Windows 相反的！因此这个操作系统就叫 Mindows！本手册只讲解 Wanlix、Mindows 操作系统的内核，至于其它的例如 BSP、文件系统、协议栈等内容过于庞大，本人没有精力也没有能力实现。这两个操作系统已经提供了源码，有兴趣的朋友可以在

10、此基础上自己试着实现其它功能，与他人互相讨论、交流，共同提高。在此我为大家提供了一个网站：http:/ vxworks 嵌入式操作系统时间只有一年左右，而且只是使用过极其简单的几个最基本的功能，在后来的一个项目中还简单使用过 TI DSP 的 BIOS操作系统，因此本人对嵌入式操作系统的了解仅限皮毛，本手册也仅是根据本人在使用上述两种操作系统中所建立的感官印象并按照我自己的想法来实现的，错误、疏漏之处在所难免，还请各位多多包涵，如有问题，可以反馈到论坛。本人免费提供 Wanlix 和 Mindows 的源码，但不承担您使用本操作系统为您带来的损失。另外，本人语文水平实在有限，当我还年轻的时候就

11、因为高中还需要写作文，就没有报考高中，后来是班主任硬逼着改报的高中，在此向当年的班主任孙老师表示感谢！因此，本手册无法顾及语言优美逻辑顺通，只要大家能看明白就行了，有问题我们可以再交流。最后，向那些无偿付出自己知识的兄弟姐妹们表示敬意！在编写操作系统过程中，确实遇到了一些问题，正是在网上查到你们贡献出的宝贵经验才能让我得以完成此操作系统的编写，因此，我也将这本手册无偿提供给大家，供大家参考，希望本手册能给你能带来一些帮助！2011.09.23 深圳坂田1目录目录底层工作者手册.1前言.1目录.1第 1 章 操作系统基础知识.1第 1 节 为什么要使用操作系统.1第 2 节 操作系统的分类.3第

12、 2 章 写操作系统前的预备知识.5第 1 节 ARM7 芯片基本结构.5第 2 节 ARM7 汇编语言简介.9第 3 节 ARM7 芯片的函数调用标准.19第 4 节 Wanlix 的文件组织结构.23第 5 节 Wanlix 的开发环境.25第 3 章 Wanlix 操作系统.27第 1 节 两个固定任务之间的切换.27第 2 节 任意任务间的切换.36第 3 节 用户代码入口根任务.43第 4 节 使用 Wanlix 编写交通红绿灯控制系统.44第 5 节 发布 Wanlix 操作系统.50第 4 章 Mindows 操作系统.56第 1 节 Mindows 的文件组织结构.56第 2

13、节 定时器触发的实时抢占调度.57第 3 节 实时事件触发的实时抢占调度.78第 4 节 任务切换钩子函数.102第 5 节 任务创建和任务删除钩子函数.107第 6 节 任务自结束.112第 7 节 二进制信号量.116第 8 节 计数信号量.136第 9 节 互斥信号量.144第 10 节 队列.153第 5 章 将操作系统移植到 Cortex 内核的芯片上.158第 1 节 Cortex 内核介绍.158第 2 节 开发环境.162第 3 节 将 Wanlix 移植到 Cortex 芯片.164第 4 节 将 Mindows 移植到 Cortex 芯片.168第 5 节 在 Mindow

14、s 上编写俄罗斯方块的游戏.174第 6 节 从堆申请内存.181第 7 节 任务保护功能.188附录 1Wanlix 接口函数.1附录 2参考资料.2附录 3Wanlix 开发环境安装.32附录 4Mindows 开发环境安装.93图图图 1没有操作系统和有操作系统的函数执行过程.3图 2ARM7 工作模式.6图 3ARM7 工作模式与寄存器.7图 4ARM7 CPSR 寄存器结构.8图 5ARM7 芯片模式位.8图 6MOV 指令的机器码格式.11图 7栈的 4 种类型.14图 8B 指令的机器码格式.17图 9AAPCS 关于 ARM 寄存器的定义.20图 10Wanlix 文件结构.2

15、4图 11Wanlix 文件调用关系.25图 12任务切换过程.27图 13寄存器组在内存中的结构.30图 14寄存器组在栈中的位置.31图 15进入操作系统前后的栈空间使用情况.31图 16两个任务交替执行.36图 17TCB 在栈中的位置.37图 18可创建任意多个任务的运行结果.42图 19使用根任务作为用户入口的运行结果.44图 20十字路口交通红绿灯示意图.45图 21十字路口运行状态切换图.46图 22十字路口主流程图.47图 23十字路口任务流程图.48图 24十字路口红绿灯演示.49图 25Keil 中生成 map 文件的选项.52图 26Keil 中生成库文件的选项.53图

16、27不使用库文件和使用库文件 Keil 工程对比.54图 28Mindows 文件调用关系.57图 29任务状态转换关系图.59图 30ready 表与任务的关联关系图.59图 31空链表.60图 32拥有 1 个子节点的链表.60图 33拥有 2 个子节点的链表.60图 34拥有多个子节点的链表.60图 35ready 表链表根节点与标志的对应关系图.61图 36ready 表 256 级标志分级方法.64图 37Mindows 任务调度流程.71图 384.2 节测试任务执行过程.76图 39tick 中断调度任务的结果.77图 40delay 表结构.78图 41delay 表操作流程图

17、.79图 42任务 delay 时间.794图 43打印消息处理过程.97图 44可变参数函数.99图 45增加 delay 状态的 4 个任务运行结果.101图 46带有任务切换过程的打印.107图 474.4 节任务切换过程图.107图 48带有任务创建、切换和删除过程的打印.112图 494.5 节任务切换过程图.112图 50任务自删除的打印信息.115图 51任务被删除与自删除的打印信息对比.115图 524.6 节任务切换过程图.116图 53TCB 与各种调度表的关系.131图 54任务获取信号量的打印信息.135图 554.7 节任务切换过程图.136图 56信号量改为 PRI

18、O 属性后的任务切换过程图.136图 57计数信号量的打印信息.144图 584.8 节任务切换过程图.144图 59互斥信号量的打印信息.152图 604.9 节任务切换过程图.153图 61任务间使用队列传递消息.153图 62使用队列打印消息.157图 634.10 节任务切换过程图.157图 64XPSR 寄存器.161图 65LM3S8962 开发板.163图 66STM32F103VB 开发板.164图 67Wanlix 移植到 cortex 内核芯片上的打印信息.167图 68cortex 内核任务调度中断.169图 69Mindows 移植到 cortex 内核芯片上的打印信息

19、.174图 70俄罗斯方块游戏任务结构图.176图 71俄罗斯方块游戏图形.178图 72LM3S8962 单板运行俄罗斯方块游戏.179图 73STM32F103VB 单板运行俄罗斯方块游戏.180图 74从堆中分配任务栈空间.182图 75任务自己申请任务栈的测试.187图 765.6 节任务切换过程图.187图 77任务保护测试.192图 785.7 节任务切换过程图.1925表表表 1汇编语言条件码.12表 2MOV 指令汇编格式对比.13表 3十字路口状态表.45表 4增加状态后的十字路口状态表.49表 5Wanlix 版本号格式.55表 6ready 表标志与优先级关系.62表 7

20、优先级数量与需要使用的内存数量.67表 8锁中断解锁中断函数内部状态变化.81表 9信号量操作与二进制信号量空满状态的对应关系.118表 10二进制信号量与计数信号量的对比.137表 11ARM、Thumb 和 Thumb-2 指令对比.159表 12俄罗斯方块游戏需求列表.1751第第 1 1 1 1 章章 操作系统基础知识操作系统基础知识有很多嵌入式系统设备的资源非常少，几十 K 的 ROM，几 K 的 RAM，这种小系统设备上的软件功能也非常简单，软件只要按照设定好的功能周而复始的运行就可以了。这种小系统设备不需要操作系统，也几乎没有合适的操作系统能运行在资源如此少的设备上。当芯片资源越

21、来越丰富，要实现的功能越来越多的时候，你就会发现软件所做的工作不再是简单的重复一件事情了，它需要及时的响应外部的输入信号，需要及时协调自己内部的运行状态，而且多个功能的软件可能会同时运行在一套硬件资源上，这样，软件不能只是简单的按照自己的计划完成自己的事情就可以了，它还需要不断的与外界交互，及时满足其它要求，并根据其它的要求及时调整自己的状态。本章将从几个例子开始，说明在没有操作系统的情况下软件编程的不便之处，以帮助读者理解使用操作系统的任务管理功能，并通过介绍操作系统的相关概念使读者对操作系统有一个基本了解，在后面的章节将依靠这些知识，先实现一个非常简单小巧的非抢占操作系统内核Wanlix，

22、然后再实现一个实时抢占操作系统内核Mindows。第第 1 1 节节 为什么要使用操作系统为什么要使用操作系统在没有操作系统的情况下，C 语言是以函数为单位实现功能的，一个函数一个函数串行的执行，一个完整的功能会由多个函数共同完成。然而当软件系统的功能变得多而庞大的时候，这种方法几乎无法使用，因为此时各个功能之间必然会有千丝万缕的联系，不可能依次串行的完成每个功能，各个功能必然需要交替执行。以函数为功能单元的程序很难在执行一个函数的时候转而去执行另外不相关的函数，即使是使用一些技巧实现了，也会使整个软件结构变的混乱不堪，不利于软件的维护和扩展。函数的工作方式就决定了并不适合以它为功能单元运行复

23、杂的程序，在这种情况下就需要使用操作系统了。操作系统是对函数运行管理的系统，它可以在一个函数还没有运行完就转而去执行另外一个函数，并且还可以恢复到原来的函数继续执行，这样就可以根据需要及时调整到需要运行的函数来满足各种要求。以大家熟悉的 Windows 为例，Windows 上运行了很多软件，有办公的、看电影的，玩游戏的，等等等等，太多了。你想过没有，它们是怎么运行的？它们是由不同的厂商开发的，它们之间如何协调？谁先运行谁后运行？这些就是操作系统要做的事。这些应用程序从宏观上看是在一台电脑上同时运行，但从微观上看它们是串行运行的。电脑的 CPU 每一时刻只能运行一个应用程序，运行很短的时间之后

24、，CPU 又去运行下一个应用程序，周而复始的这么运行。由于 CPU 的速度特别快，因此每个应用程序在很短的时间都可以运行很多次，以人的感觉来说，根本就感觉不到 CPU 在各个应用程序之间切换运行，因此我们就觉得电脑上的每个应用程序都是在同时运行。就像看电影一样，由于影片的刷新频率快过了人眼睛的可分辨频率，因此我们就觉得电影是在连续播放。这就是操作系统的一个重要功能任务调度功能。除此之外，操作系统还有很多功能，比如说文件系统。我们存储的游戏、电影文件是如何放在硬盘上的？为什么我们将几 G 的文件剪切到同一个硬盘分区上时间很短，而剪切到另外一个硬盘分区上则时间很长？为什么在 Dos6 下看不到 N

25、TFS 分区的文件？这些都是操作系统的一个功能文件管理功能。2另外，操作系统还具有设备管理功能。现在我们在 Windows 环境下，可以把一块显卡、声卡直接插到主板上，然后启动电脑，安装驱动程序，甚至不需要安装驱动程序就可以使用了。你可能认为电脑就应该是这样的，但实际上，这简单的背后是操作系统为我们做了很多工作，在过去操作系统并不完善的日子，我们需要手动为硬件分配物理地址、中断等资源，极其麻烦。一个完整的操作系统应该是一个非常复杂非常庞大的系统，还需要包含很多其它的功能，但由于本人能力及精力有限，这些不在本手册的讲述之中，本手册将重点介绍实现嵌入式操作系统的内核调度功能，只侧重任务调度部分，编

26、写一个操作系统内核，读者如有兴趣可自行在此基础上实现操作系统更多的功能。对于功能简单的小系统设备来说，我们只需要设计一个 while 死循环就可以完成所有的软件功能，这种小系统一般没有复杂的外部输入，例如电子表，外部输入只有调节时间的按钮，软件的主要功能也只是读取定时器的数值并显示出来。我们以伪码的形式描述一个这样的软件结构：int main(void)while(1)1.判断按键输入并执行相关操作。2.读取定时器数值。3.刷新液晶屏显示时间。这个小系统的运行几乎不依赖于外界的输入，只要按照软件设定好的顺序周而复始的执行就可以实现所有功能。但如果系统功能复杂一些统，使用上述的软件结构就显得有些

27、不适合了。例如我们常用的手机，一般手机处于不通话的状态下，屏幕是黑的，但这并不代表软件没有工作，此时软件需要检测按键是否被按下，闹表定时是否到了，是否有电话来了等等，假设用户在使用手机上网，同时又在听音乐，而电话又来了，你想想软件这个 while 循环应该如何去写？手机中软件遇到的情况可要比我列出的上述情况复杂的多，仅仅使用这个 while 循环是无法完成的。从手机的例子我们可以看到一个软件系统是由多个功能组成的，有些功能之间相对比较独立，例如听音乐与上网是没什么联系的，发短信与闹表是没什么联系的。因此，我们很容易想到，如果软件是以功能为单位去运行的，而各个功能又可以同时运行，那么每个功能只需

28、要专注完成自己的功能就可以了，上述这么复杂的问题也就可以迎刃而解了。但传统的函数调用方式无法同时运行多个功能函数，因此，我们就无法使用传统的函数方式同时执行多个功能。前面我们说过，操作系统从宏观来看是可以实现多个功能同时运行的，这种宏观的同时运行是建立在微观的从一个函数的运行过程切换到另一个函数的运行过程实现的，并且还可以再切换回原来的函数继续运行。这种在函数间跳来跳去的运行方式就是操作系统赖以生存的最核心功能系统调度功能。从原理上来说，这个实现过程并不复杂，并且只需要使用C 语言和一点点汇编语言外加一点点技巧就可以实现，所用的软件与我们平时编程时用的软件没什么区别。操作系统是以任务为执行单元

29、的，每个任务就是一个相对独立的功能单元，各个任务之间可以并行运行，因此操作系统也就实现了多个功能的并行运行功能。每个任务是使用一个函数创建的，没有操作系统的函数和操作系统中创建任务的函数是没有什么区别的，主要区3别在于操作系统可以使用一些技巧，让以任务形式存在的函数可以在运行时互相切换。当然，为了实现这个功能，还需要为创建操作系统的函数增加一些额外的属性，将函数变成任务，这个我们将会在后面章节讲述。图 1没有操作系统和有操作系统的函数执行过程正是任务具有同时执行的特点，我们可以将几个不相关的功能分别用几个任务来实现，例如手机的听音乐、上网、发短信和闹表等功能，我们使用操作系统为每个功能建立一个

30、任务，每个任务的代码只重点关心自己的功能，至于任务间的间插执行就交给操作系统了，这样就使得整个软件结构变的清晰简单。第第 2 2 节节 操作系统的分类操作系统的分类操作系统是管理整个软硬件系统的软件系统，从不同的角度操作系统可以有很多种划分，比如按与用户对话的界面分类可分为命令行界面操作系统和图形用户界面操作系统，按支持用户数的多少可以分为单用户和多用户操作系统，按功能可以分为嵌入式操作系统和PC 机通用操作系统，按调度的方式可分为分时系统和实时系统等。操作系统种类繁多，很难用单一标准统一分类，由于本人知识有限无法详细的介绍各种类型操作系统，也无法为操作系统准确分类。对比 PC 机使用的操作系

31、统，本手册将讲述的是嵌入式实时操作系统，因此将介绍一下“嵌入式”和“实时”等概念。嵌入式操作系统（Embedded Operating System，EOS）根据 IEEE（The Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气与电子工程师学会）的定义，嵌入式系统是控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置（devices used tocontrol,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的结合体，按我个人

32、的理解，嵌入式软件就是“嵌入”到硬件中的软件，4而嵌入到硬件中的操作系统就是嵌入式操作系统。这个“嵌入”是相对 PC 机而言的，PC机是一个通用的系统，有着标准的外设定义，键盘、鼠标、显示器、显卡、声卡、各种标准的插槽，x86 的 CPU，买台电脑功能都差不多，差的只是性能。而嵌入式设备则五花八门，PSP、MP4、手机、电子称、遥控器等等，什么都有，它们的硬件系统是针对专一功能开发的，它们的软件和操作系统也具有专一性，因此体积小成本低。我们对比一下使用嵌入式系统和 PC 机通用系统开发产品，举个例子，如果要做一个计算器，我这里有两个方案，一、用电脑做，买来电脑，装完 Windows，在运行窗口

33、敲入“calc”，可以直接调出计数器软件，功能实现了。优点是开发周期短，而且 PC 机上也有众多的软件可以使用，扩展性强。但缺点也是致命的，成本太高体积太大，不能指望着小商小贩们背着电脑去卖货，这样的产品一定卖不出去。二、使用单片机、LED 显示屏等器件自己设计方案开发产品，虽然开发周期相对要长一些，但成本绝对低。再举个例子，如果要开发一种功能丰富的办公系统产品，则最好是基于 PC 机系统开发的。键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、传真机、摄像头，这些办公常用的输入输出设备与 PC 机都有标准的接口，可以直接使用，而且 PC 机上丰富的软件可以使开发过程容易很多，如果自己另做一套软硬件，这个工

34、作量太大了，几乎无法完成，而且这么大的工作量也会使成本居高不下。本手册所实现的两个操作系统Wanlix 和 Mindows 都属于嵌入式操作系统，这两个操作系统在设计时都定位为小系统的操作系统，因此具有内核小的特点。Wanlix 的内核非常小，定位于非常低端的软硬件系统，Mindows 可提供多种操作系统功能，用户也可根据自身需求选取需要的部分，也可在此基础上编写代码增加自己需要的功能，具有可裁剪性。实时操作系统（Real-time Operating System，RTOS）实时是指及时性，实时操作系统具有实时性，能保证及时做出响应。某些领域对数据采集、处理的实时性要求比较严格，时间上的错误

35、可能会造成灾难性的后果，因此需要软件具有很高的实时处理能力。操作系统是控制软件运行的系统，为实现软件的实时性就需要操作系统具有实时性，实时操作系统可以快速响应外界及内部状态的变化，在严格规定的时间内完成相关工作的调度，具有高可靠性。与之相对的分时操作系统则按时间片依次逐个调度任务，实时性不高。实时操作系统是一种抢占式操作系统（Preemptive operating system），所谓抢占式是指高优先级的任务可以中断正在运行的低优先级任务，处理器转而去执行高优先级的任务，由于这种“抢占”可在高优先级任务就绪后立刻发生，因此才保证了操作系统的实时性。Wanlix 是非抢占式操作系统，需要由当前

36、运行的任务主动发起任务切换调度，其它任务不可中断其运行，因此实时性不高。Mindows 是实时抢占式操作系统，任务支持多种优先级抢占调度，将实时性高的任务设置为高优先级就可以保证软件系统的实时性。5第第 2 2 2 2 章章 写操作系统前的预备知识写操作系统前的预备知识通过前面章节的介绍我们对操作系统有了初步的了解，但这也只是停留在概念阶段，这些知识对于写一个操作系统来说是远远不够的。从现在的章节开始，我们将从无到有，一步一步一个功能一个功能的写出操作系统。本章我们就先了解一下写操作系统所需要的知识，会涉及到一些汇编语言及芯片的内部结构，如果你没有这方面相关的基础的话，看起来可能会枯涩难懂一些

37、，如果是这种情况的话，建议粗略看一下就可以了，不要过分追求细节。我们首先将在 ARM7 芯片上编写操作系统，因此本章将对 ARM7 芯片的内部结构做一些介绍，并会介绍一下相关的汇编语言，以及 C 语言与汇编语言之间的关系，最后再介绍一下 Wanlix 操作系统的文件组织结构及开发环境。第第 1 1 节节 ARM7ARM7 芯片基本结构芯片基本结构ARM7 芯片构架比较简单，32bits 线性地址空间统一排列，任何地址都是唯一的，不同的片上资源及外设被分配到不同的地址空间，不同数据结构的指针固定为 4 字节长度，这相对 51 芯片来说方便很多也清晰很多，从用户编程的角度来看入手比较简单，因此本手

38、册首先选用 ARM7 芯片来作为开发操作系统的硬件平台。选用的 ARM7 芯片，是 ADI 公司的一款芯片Aduc7024。Aduc7024 具有片上 AD、DA、GPIO、UART、I2C、SPI、TIMER、WDT、PWM 等外设，具有 62KBytes 的内部 FLASH 程序空间和 8KBytes 的内部 RAM 空间，无需外挂 ROM和 RAM，芯片的具体细节可以查阅附录中的参考文档 1。在我们的开发过程中，我们主要使用了芯片的 UART，也就是串口，作为打印数据的端口，输出到 PC 上来观察操作系统的运行。当我们完成了操作系统的一些基本功能后，我们会将 Wanlix 和 Mindo

39、ws 移植到另外一款 ARM 芯片上Cortex 内核的 ARM 芯片，并在此芯片上继续完善 Mindows 的功能。这么做，第一是让读者了解 wanlix 和 Mindows 的移植过程，第二是让读者在移植过程中体会操作系统与用户代码无关的重要性，第三，Cortex 内核芯片功能更强、资源更丰富，可以在此芯片上实现更多的功能。Cortex 内核是 ARM 公司新推出的一种内核，其功能强大，性价比高，后面章节我们再详细讨论，我们首先来了解 ARM7 芯片。ARM7 支持 7 种处理器模式，分别是 USR 模式、SYS 模式、SVC 模式、ABT 模式、UND 模式、IRQ 模式和 FIQ 模式

40、，虽然有这么多种模式但可以归纳为 2 大类：正常工作模式和中断工作模式。正常工作模式包括 USR 模式和 SYS 模式，USR 模式没有任何特性，是芯片最常用的模式，芯片一般都是在 USR 模式下运行的。SYS 模式与 USR 模式也没什么区别，仅比 USR模式权限大些，能访问到芯片的特殊寄存器，适合操作系统使用（但我不知道怎么使用，本手册没有使用该模式）。而中断工作模式又分为异常中断模式和正常中断工作模式。芯片无法正常运行时就会进入异常中断模式，芯片进入异常中断模式后软件就无法再继续提供原有功能了，异常中断模6式仅是为定位问题而提供的。异常中断模式包括 ABT 模式和 UND 模式，指令或数

41、据出错时就会进入 ABT 模式，例如，ARM 模式下的一条指令是需要访问 4 字节对齐的地址，如果实际访问的地址不是 4 字节对齐的话，这时芯片就会进入 ABT 模式，程序 PC 指针就会跳转到 ABT 的异常中断向量，执行 ABT 的中断服务程序。如果用户为 ABT 模式编写了定位信息程序并挂到 ABT 异常中断上，那么就可以利用这些代码输出产生 ABT 异常的原因了。UND 模式与 ABT 模式的工作原理是一样的，只不过 UND 模式是在遇到没有定义的指令时才会进入。正常中断模式是为用户实现系统功能而设计的中断模式，它是预先设计好的，是系统运行所必须的。正常中断模式又分为 IRQ 模式、F

42、IQ 模式和 SVC 模式。IRQ 模式就是普通的中断模式，当芯片产生中断时就会进入 IRQ 模式，等同于其它芯片的中断。FIQ 是快速中断模式，它比 IRQ 中断优先级高，备份、还原中断现场时间更少些，也就是说能更优先更快速的产生中断，除此之外它与 RIQ 中断没什么区别。SVC 是软中断模式，由软件触发，常用于操作系统中，软中断在本手册将会有非常重要的应用。图 2ARM7 工作模式程序可以看做是指令+数据的组合，程序运行的过程就是不断的取出指令并按照指令不断计算数据的过程，在这个计算过程中需要使用寄存器来存放指令和数据。寄存器与芯片内核直接相连，因此芯片操作它们的速度要远快于操作内存的速度

43、。但寄存器的数量较少，因此指令和数据平时是存放在 FLASH 或者 RAM 中的，只有当使用时才会放入寄存器进行运算。每种芯片内部都会有寄存器，不同芯片的寄存器种类、数量各不相同，但都会有下面这3 种：一、PC（Program Counter）寄存器，PC 寄存器中存放的是当前执行的指令所在的地址，芯片是通过 PC 寄存器找到其需要执行的指令的，更改 PC 寄存器就会发生指令跳转，当我们在 C 语言里调用函数或者产生分支跳转时，实际上就是通过改变 PC 寄存器的值实现的。二、状态寄存器，状态寄存器里都会有 N、Z、C、V 这 4 个状态标志，N 用来表示数据是有符号数还是无符号数，Z 用来表示

44、 0 还是非 0，C 是进位标志，当产生进、借位时影响的就是这个标志，V 是溢出标志，数据运算过程中产生数据溢出了就会更改此标志。三、通用寄存器，这些通用寄存器用来临时存放数据，供芯片运算时使用，某些通用寄存器也可能会有其它专有的功能，各个芯片的定义不一样。ARM7 工作模式正常工作模式中断工作模式USR模式SYS模式异常中断模式ABT模式UND模式IRQ模式SVC模式FIQ模式正常中断模式7ARM7 芯片每种工作模式下有 17 个寄存器可以使用，分别是 R0R15 和 CPSR 寄存器，其中 R15 寄存器又可以称之为 PC 寄存器，CPSR 是状态寄存器，其余的可以认为是通用寄存器，在这些

45、通用寄存器里，R13 和 R14 是比较特殊的，R13 寄存器又可以称之为 SP（Stackpointer）寄存器，用来指示当前堆栈的位置，R14 寄存器又可以称之为 LR（Link register）寄存器，当使用某些跳转指令时，硬件会自动将跳转前的指令存入 LR 寄存器中，以供返回时使用。前面说了 ARM7 芯片有 7 种工作模式，有些寄存器是这 7 种模式共用的，但 ARM7 芯片也为每种不同的工作模式提供了专有的寄存器，进入不同模式便可以使用不同模式下的专有寄存器，如下图所示，ARM7 芯片共有 37 个寄存器，但每种模式仅有 17 个寄存器可以使用。图 3ARM7 工作模式与寄存器图

46、 3 中寄存器左下角不带阴影的是不可备份寄存器，各个模式共用，带阴影的是可备份寄存器，为每个模式所单独拥有，只有进入该模式才可以使用。不可备份寄存器对各个模式来说是共用的，因此，为防止切换后模式破坏切换前模式中的数据，在模式切换后的需要使用软件将这些不可备份寄存器保存起来，当切换回原模式后再恢复这些不可备份寄存器。可备份寄存器则无需软件保存，硬件会在切换模式时自动将切换后模式下的可备份寄存器替换为切换前模式下的可备份寄存器，虽然名字一样，但实际上的物理空间是不同的，因此在不同模式下尽管使用了相同的可备份寄存器，但实际上并没有数据上的冲突，看下面的例子：8在 USR 模式下将 R0 和 R13

47、的值置为 0：MOV R0,#0MOV R13,#0此时，发生了从 USR 模式到 IRQ 模式的切换，然后在 IRQ 模式下将 R0 和 R13 加 1：ADD R0,R0,#1ADD R13,R13,#1R0 是不可备份寄存器，因此上述操作是对同一个 R0 寄存器操作的。在 USR 模式下先将 R0 置为 0，然后在 IRQ 模式下将 R0 加 1，最后 R0 的值为 1。而 R13 是可备份寄存器，在 USR 模式下先将 USR 模式下的 R13 置为 0，进入 IRQ 模式后将 IRQ 模式下的 R13 加 1，最后 USR 模式下的 R13 的值仍为 0，而 IRQ 模式下的 R13

48、 值在它原有的基础上加了 1。在上述操作中，虽然软件使用的都是 R13 这同一个名字，但芯片会根据不同模式而对不同模式下的 R13 寄存器进行操作，上述对 R13 的操作就是对不同的 2 个 R13 寄存器进行的操作。FIQ 的可备份寄存器是 R8R14，其它模式的可备份寄存器是 R13R14，包括 IRQ 模式，因此切换到 FIQ 模式时需要备份的寄存器少一些，因此 FIQ 要比 IRQ 快一些。CPSR 寄存器不允许被软件随意改写，改写 CPSR 寄存器是需要权限的，只有特权模式，即非 USR 模式才可改写，CPSR 寄存器的结构如下：图 4ARM7 CPSR 寄存器结构其中 bits27

49、31 为程序运行时的进位、溢出等标志，前面已经说过一些，具体含义请读者自行查阅附录中的参考文档 2。bits04 为芯片工作状态标志，对应关系为：图 5ARM7 芯片模式位CPSR 与 R 寄存器不同，所有模式下均是使用同一个 CPSP 寄存器，在模式切换时硬件会自动将切换前模式的 CPSR 寄存器保存到切换后模式的 SPSR 寄存器中，然后切换后的模式会继续使用 CPSR 寄存器作为自己的状态寄存器，当需要切换回原有模式时，硬件会自动将 CPSR 从当前模式的 SPSR 寄存器恢复过来。9ARM7 芯片软件的运行完全是由上述的这些寄存器决定的，只要能合理的修改这些寄存器就能控制软件的运行，操

50、作系统就是通过备份、还原、更改这些寄存器来控制程序执行流程的，进而实现任务之间的切换。由于 C 语言无法访问到这些寄存器，因此必须使用汇编语言才能对这些寄存器进行操作，下节我们将了解一些 ARM7 的汇编语言，以便理解操作系统的任务切换过程。第第 2 2 节节 ARM7ARM7 汇编语言简介汇编语言简介ARM7 芯片有 2 种汇编语言指令集，一种叫做 ARM 指令集，字长为 32bits，另一种叫THUMB 指令集，字长为 16bits。这两种指令集各有优缺点，它们可以单独使用也可以混合在一起使用，在 ARM7 芯片上，我们将只使用 ARM 指令集，在后续的 Cortex 芯片上我们将使用 T