5.3協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)

1、5.3 協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng) 目 錄整體規(guī)劃任務(wù)控制塊小結(jié)內(nèi)核API簡(jiǎn)介協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)任務(wù)切換的時(shí)機(jī)完全取決于正在運(yùn)行的任務(wù)；現(xiàn)代操作系統(tǒng)不再使用，適合于學(xué)習(xí)范例；下面介紹 TinyOS51 V1.0版 操作系統(tǒng)。 內(nèi)核 API TinyOS51 V1.0是完全用C語(yǔ)言編寫的協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)，它的內(nèi)核API（Application Interface Program：接口函數(shù)）包括5個(gè)函數(shù)。TinyOS51tnOsTaskCreate() 任務(wù)創(chuàng)建tnOsTaskDel() 任務(wù)刪除tnOsSched() 任務(wù)切換 tnOsInit()系統(tǒng)初始化tnOsStart() 系統(tǒng)啟動(dòng)名 稱

2、 tnOsInit()函數(shù)原型void tnOsInit(void)tnOsInit()作用注意啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境，并執(zhí)行第一個(gè)任務(wù)必須在調(diào)用其他函數(shù)之前調(diào)用，并只能調(diào)用一次名 稱 tnOsStart()函數(shù)原型void tnOsStart (void)tnOsStart()作用注意初始化TinyOS51內(nèi)部變量調(diào)用此函數(shù)之前 必須創(chuàng)建至少一個(gè)任務(wù)，該函數(shù)不能重復(fù)調(diào)用，且不返回名 稱 tnOsTaskCreate()函數(shù)原型TN_OS_TASK_HANDLE tnOsTaskCreate (void( * pfuncTask)(void), idata unsigned char *pucStk)

3、輸入?yún)?shù)pfuncTask：任務(wù)函數(shù)；pucStk：堆棧位置，堆棧至少要16字節(jié)返回值thTask：任務(wù)句柄，如果其值為-1，則創(chuàng)建任務(wù)失敗tnOsTaskCreate()作用注意創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，為任務(wù)創(chuàng)建資源（內(nèi)存）該函數(shù)可在調(diào)用tnOsInit()函數(shù)后任意時(shí)候調(diào)用，但在調(diào)用tnOsStart()函數(shù)之前必須調(diào)用一次名 稱 tnOsTaskDel()函數(shù)原型void tnOsTaskDel (TN_OS_TASK_HANDLE thTask)輸入?yún)?shù)thTask：任務(wù)句柄，如果其值為-1，則刪除任務(wù)自身tnOsTaskDel()作用注意刪除一個(gè)任務(wù)，釋放刪除任務(wù)的資源（內(nèi)存）可以刪除其他任務(wù)

4、或自身名 稱 tnOsSched()函數(shù)原型void tnOsSched (void)tnOsSched()作用注意實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)必須在任務(wù)中調(diào)用，而且每個(gè)任務(wù)都必須周期性地調(diào)用它Task1任務(wù)堆棧Task2任務(wù)堆棧Task3任務(wù)堆棧Task0任務(wù)堆棧資源配置對(duì)最大任務(wù)數(shù)目沒(méi)有限制支持的任務(wù)數(shù)量無(wú)限TinyOS51單片機(jī)片內(nèi)idata空間有限1任務(wù)堆棧占用idata資源20 xFF0 x0051單片機(jī)idata空間256字節(jié)不能繼續(xù)分配任務(wù)堆棧支持的任務(wù)數(shù)量有限?TinyOS51支持的任務(wù)數(shù)Task1任務(wù)堆棧Task2任務(wù)堆棧Task3任務(wù)堆棧Task0任務(wù)堆棧0 xFF0 x0

5、0至少32字節(jié)空間Task1任務(wù)堆棧Task7任務(wù)堆棧Task0任務(wù)堆棧0 xFF0 x00.理論最大任務(wù)數(shù)量少于8個(gè)實(shí)際最大任務(wù)數(shù)以34個(gè)最為合適 R0R7 編譯器用到的空間 TinyOS51占用空間 用戶代碼占用空間協(xié)作式多任務(wù)操作系統(tǒng)運(yùn)行示例main.cstatic idata unsigned char _GucTaskStk232; / 分配任務(wù)堆static unsigned char _GucTask0;/ 任務(wù)0測(cè)試變量static unsigned char _GucTask1;/ 任務(wù)1測(cè)試變量void task0 (void) void task1 (void) void

6、 main (void) tnOsInit();/ 初始化系統(tǒng) tnOsTaskCreate(task0,_GucTaskStks0); / 創(chuàng)建任務(wù)0 tnOsTaskCreate(task1,_GucTaskStks1); / 創(chuàng)建任務(wù)1 tnOsStart();/ 啟動(dòng)任務(wù)全速運(yùn)行，在任務(wù)函數(shù)中設(shè)置斷點(diǎn)，可以看到2個(gè)任務(wù)依次執(zhí)行 目 錄整體規(guī)劃任務(wù)控制塊小結(jié)內(nèi)核API操作系統(tǒng)任務(wù)任務(wù)的識(shí)別和TCB企業(yè)員工名字工號(hào)職稱TCB全稱是Task Control Block，即任務(wù)控制塊，它是一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于記錄各個(gè)任務(wù)的各種信息，包括任務(wù)堆棧指針、任務(wù)狀態(tài)、延時(shí)計(jì)數(shù)、等待事件指針等。堆棧

7、指針?lè)祷氐刂啡蝿?wù)狀態(tài)延時(shí)計(jì)數(shù) TCBRTOS和TinyOS51任務(wù)識(shí)別 RTOS使用TCB指針識(shí)別任務(wù)，對(duì)于SDCC編譯器來(lái)說(shuō)，指針變量占3個(gè)字節(jié)空間，當(dāng)任務(wù)較多時(shí)，內(nèi)存開(kāi)銷大。RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）TCB1TCB2TCBnpTCB1pTCB2pTCBn指向TCB的指針TCB結(jié)構(gòu)體變量TinyOS51 TinyOS51使用TCB結(jié)構(gòu)體類型數(shù)組下標(biāo)來(lái)識(shí)別任務(wù)，類型是無(wú)符號(hào)char型，僅占一個(gè)字節(jié)內(nèi)存空間，適合內(nèi)存資源緊張的51單片機(jī)TCB1TCB2TCBnHandleTCB結(jié)構(gòu)體類型數(shù)組數(shù)組下標(biāo)，俗稱句柄 TCB的構(gòu)成任務(wù)塊結(jié)構(gòu)體_GtcbTasksxjbTaskContextucTaskSt

8、at TCB的類型是結(jié)構(gòu)體，對(duì)于V1.0版本的TinyOS51操作系統(tǒng)，它主要由上下文信息和任務(wù)狀態(tài)字組成。上下文信息jmp_buf xaddr15addr8addr7addr0SPbpjbTaskContext是jmp_buf 數(shù)組類型變量，而jmp_buf 數(shù)組類型在中定義ucTaskStat 即任務(wù)狀態(tài)字，是char型變量，對(duì)于V1.0版本的TinyOS51，它有兩個(gè)值，如下宏定義所示：#define _TN_TASK_FLG_DEL 0 x00 / 任務(wù)被刪除#define _TN_TASK_FLG_RDY 0 x01 / 任務(wù)就緒上下文信息 任務(wù)狀態(tài)字 TCB的程序?qū)崿F(xiàn) tiny_o

9、s_51_core.c#define _TN_TASK_FLG_DEL 0 x00/ 任務(wù)被刪除#define _TN_TASK_FLG_RDY 0 x01/ 任務(wù)就緒struct tn_os_tcb jmp_buf jbTaskContext; / 用于存儲(chǔ)上下文信息 unsigned char ucTaskStat; / 任務(wù)狀態(tài)字;typedef struct tn_os_tck TN_OS_TCB; /TN_OS_TCB類型等效struct tn_os_tcb static data TN_OS_TCB _GtcbTasksTN_OS_MAX_TASK; / 任務(wù)控制塊的結(jié)構(gòu)體數(shù)組 目

10、 錄整體規(guī)劃任務(wù)控制塊小結(jié)內(nèi)核API 內(nèi)部變量初始化 TinyOS51開(kāi)始時(shí)沒(méi)有任務(wù)存在，所以必須將所有的任務(wù)控制塊初始化為一個(gè)“空白表”，即將任務(wù)初始化為“刪除狀態(tài)”。addr15addr8addr7addr0bpucTaskStatxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxSPTCB1TCB0 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxTCBnxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx000000000000000000000000任務(wù)狀態(tài)字#define _TN_TASK_FL

11、G_DEL 0 x00 / 任務(wù)被刪除#define _TN_TASK_FLG_RDY 0 x01 / 任務(wù)就緒 內(nèi)部變量初始化程序tiny_os_51_core.cstatic data TN_OS_TASK_HANDLE _GthTaskCur; void thOsInit (void) TN_OS_TASK_HANDLE thTask; for (thTask = 0; thTask TN_OS_MAX_TASKS; thTask+) _GtcbTasksthTask.ucTaskStat = TN_TASK_FLG_DEL; _GthTaskCur = 0;/ 當(dāng)前任務(wù)句柄/ 初始化任

12、務(wù)控制塊/ 操作的任務(wù)/ 使任務(wù)處于刪除狀態(tài)/ 初始化任務(wù)號(hào)為0創(chuàng)建任務(wù) 在操作系統(tǒng)中，任何一個(gè)程序只有成為了任務(wù)才能在內(nèi)存中運(yùn)行，使用創(chuàng)建任務(wù)創(chuàng)建與之對(duì)應(yīng)的任務(wù)。開(kāi)始結(jié)束創(chuàng)建任務(wù)失敗是否有空閑任務(wù)控制塊保存上下文信息設(shè)置任務(wù)就緒狀態(tài)否是如果沒(méi)有空閑TCB則不能創(chuàng)建任務(wù)填充TCB的過(guò)程關(guān)于空閑任務(wù) 空閑任務(wù)是CPU閑置時(shí)候運(yùn)行的任務(wù)，TinyOS51為了節(jié)省片內(nèi)RAM，決定使用調(diào)度器來(lái)完成空閑任務(wù)的工作。 創(chuàng)建任務(wù)中不需要?jiǎng)?chuàng)建空閑任務(wù)。 創(chuàng)建任務(wù)時(shí)TCB填充addr15addr8addr7addr0bpucTaskStatxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx00000

13、000SPTCB1TCB0 假設(shè)系統(tǒng)最大的任務(wù)數(shù)為2，系統(tǒng)剛完成初始化，現(xiàn)在要?jiǎng)?chuàng)建Task0，TCB的申請(qǐng)和填充過(guò)程是：CPUtnOsCreate(Task0Addr, pucStkTask0)Task0程序入口地址Task0堆棧指針TCB申請(qǐng)：由于TCB0的狀態(tài)字為“刪除狀態(tài)”，所有將其分配給Task0 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxbppucStkTask0Task0Addr高8位Task0Addr低8位0000000100000000tnOsCreate(Task0Addr, pucStkTask0)TCB填充：包括bp，堆棧指針，函數(shù)入口地址以及設(shè)置任

14、務(wù)為“就緒狀態(tài)” 創(chuàng)建任務(wù)的程序?qū)崿F(xiàn)tiny_os_51_core.cTN_OS_TASK_HANDLE tnOsTaskCreate (void (*pfuncTask)(void), idata unsigned char *pucStk) TN_OS_TASK_HANDLE thRt; for (thRt = 0; thRt TN_OS_MAX_TASKS; thRt+) / 搜索是否有空閑的任務(wù)控制塊 return -1; / 如果創(chuàng)建任務(wù)失敗，則返回-1 if (_GtcbTaskthRt.uctaskStat = _TN_TASK_FLG_DEL) setTaskJmp(pfunc

15、Task, pucStk, _GtcbTasksthRt.jbTaskContext); / 保存上下文信息 _GtcbTasksthRt.ucTaskStat = _TN_TASK_FLG_RDY; / 任務(wù)就緒 return thRt; / 如果創(chuàng)建任務(wù)成功，則返回該任務(wù)的句柄 Task0Task1Task2 啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境 在操作系統(tǒng)中，運(yùn)行第一個(gè)用戶任務(wù)的過(guò)程被稱為“啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境”，也即運(yùn)行句柄為0的任務(wù)。TinyOS51是通過(guò)調(diào)用tnOsStart()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，在內(nèi)部由longjmp()函數(shù)執(zhí)行句柄為0的任務(wù)。void tnOsStart (void) longjmp(_Gtcb

16、Tasks0.jbTaskContext); / 執(zhí)行0號(hào)任務(wù)SPPC高8位低8位Task0 堆棧指針Task0 入口地址高8位Task0 入口地址低8位CPU任務(wù)切換任務(wù)切換是指保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，并恢復(fù)需要執(zhí)行任務(wù)的上下文的過(guò)程。開(kāi)始是否存在下一個(gè)就緒任務(wù)？從下一個(gè)就緒任務(wù)TCB恢復(fù)上下文等待當(dāng)前任務(wù)就緒否保存當(dāng)前任務(wù)TCB是結(jié)束任務(wù)在宏觀上是并發(fā)運(yùn)行的task0task1task0task1通過(guò)任務(wù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)調(diào)用setjmp()調(diào)用longjmp()實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)空閑任務(wù) 任務(wù)切換程序說(shuō)明1tiny_os_51_core.cvoid thOsSched (void) TN_OS_TASK_HA

17、NDLE thTask; char cTmp1; TN_OS_TASK_HANDLE thTmp2; volatile data char *pucTmp3 = (void *)0; thTmp2 = _GthTaskCur;/* * 搜索就緒的任務(wù) */ for (thTask = 0; thTask = TN_OS_MAX_TASKS) thTmp2 = 0; if (_GtcbTasksthTmp2.ucTaskStat & _TN_TASK_FLG_RDY) != 0) cTmp1 = setjmp(_GtcbTasks_GthTaskCur.jbTaskContext); if (c

18、Tmp1 = 0) _GthTaskCur = thTmp2; / 更新當(dāng)前任務(wù)句柄 longjmp(_GtcbTasksthTmp2.jbTaskContext); return; / 保存當(dāng)前任務(wù)上下文/ 恢復(fù)就緒任務(wù)的上下文 /* * 如果所有任務(wù)都未就緒，則等待本任務(wù)就緒，相當(dāng)于一般操作系統(tǒng)的空閑任務(wù) */ pucTmp3 = (volatile data char *)(&(_GtcbTasksthTmp2.ucTaskStat); while (*pucTmp3 & _TN_TASK_FLG_RDY) != 0) 刪除任務(wù) 刪除任務(wù)的實(shí)質(zhì)是將需要?jiǎng)h除的任務(wù)對(duì)于TCB中任務(wù)狀態(tài)字設(shè)置為“刪除狀態(tài)”，即釋放TCB，刪除任