C51 - 自写操作系统

news2024/11/25 6:46:23

最简OS

  • 1> 版本1：任务建立与切换
  • 2> 版本2：定时器切换
    • 2.1> main.c
    • 2.2> task.c
    • 2.3> sleep.c
  • 3> 版本3：加时间片轮转

在51单片机上，实现操作系统最简模型， 学习理解操作系统的基本概念；

🔗 //----------- 参考视频链接 （15集） -----------//

1> 版本1：任务建立与切换

#include <STC89C5xRC.H>
#include <intrins.h>


sbit LED_0	 = P0^0;
sbit LED_1	 = P0^1;

#define MAX_TASKS		2		// 任务个数：task0，task1；		
#define MAX_TASK_DEP	32		// 任务最大栈深度：任务切换时保存现场；

unsigned char idata task_sp[MAX_TASKS];		// 任务堆栈指针数组；
unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP];	// 任务堆栈， 2个任务，每个任务分配32Byte空间；

unsigned char task_id;


/*-- CPU Delay --*/
void Delay1000ms()		//@22.1184MHz
{
	unsigned char i, j, k;

	_nop_();
	i = 15;
	j = 2;
	k = 235;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}




/**
  * @brief  任何切换函数（任务调度）
  * @param  None
  * @retval None
  */
void task_switch()
{
	task_sp[task_id] = SP;	// 保存当前的SP；

	task_id = task_id + 1;
	if (task_id == MAX_TASKS) {
		task_id = 0;
	}

	SP = task_sp[task_id];	// 把下一个task的sp放入到当前的SP
}


/**
  * @brief  任务0；
  * @param  None
  * @retval None
  */
void task0()
{
	
	LED_0 = 0;
	while (1) {
		LED_0 = ~LED_0;

		Delay1000ms();

		task_switch();	// 任务切换 
	}
}

/**
  * @brief  任务1；
  * @param  None
  * @retval None
  */
void task1()
{
	
	LED_1 = 0;
	while (1) {
		LED_1 = ~LED_1;
		Delay1000ms();
		task_switch();	// 任务切换 
	}
}


// 函数的地址（指针）占16bit；
// fn:存放函数的地址；
// tid：task id，0或1；

void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid)
{
	// 51单片机中，堆栈向上增长；
	task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;	 // 将任务堆栈指针设置为下一个空闲位置，预留2个Byte用来存放task的函数地址；

	// 存放task0或task1函数的首地址
	task_stack[tid][0] = fn & 0xff;
	task_stack[tid][1] = fn >> 8;  
}

void main()
{
	task_load(task0, 0);
	task_load(task1, 1);

	task_id = 0;		// 把当前任务设置为task0；
	SP = task_sp[0];	// 执行task0； 
}
//----------------------------------- End ---------------------------//

内存分配：
1

实验结果：LED0波形
1

问题：为什么LED0和LED1会亮2s，灭2s呢，如何改为想要亮1s，灭1s

void Delay1000ms()： 是CPU在，不干其他活，傻延时，所以LED0在等的同时LED1也在等；

2> 版本2：定时器切换

使用51内部，定时器0硬件资源来定时，让CPU释放；

2.1> main.c

#include "main.h"

void main()
{
	Timer0_Init();
	task_load(task0, 0);
	task_load(task1, 1);

	task_id = 0;		// 把当前任务设置为task0；
	SP = task_sp[0];	// 执行task0； 
}

main.h

#ifndef __MAIN_H__
#define __MAIN_H__

#include <STC89C5xRC.H>

sbit LED_0	= P0^0;
sbit LED_1	= P0^1;

#define MAX_TASKS		2		// 任务个数：task0，task1；		
#define MAX_TASK_DEP	32		// 任务最大栈深度：任务切换时保存现场；


#include "sleep.h"
#include "task.h"

#endif

2.2> task.c


#include "task.h"

unsigned char idata task_sp[MAX_TASKS];		// 任务堆栈指针数组；
unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP];	// 任务堆栈， 2个任务，每个任务分配32Byte空间；

unsigned char task_id;


/**
  * @brief  任何切换函数（任务调度）
  * @param  None
  * @retval None
  */
void task_switch()
{
	task_sp[task_id] = SP;	// 保存当前的SP；

	task_id = task_id + 1;
	if (task_id == MAX_TASKS) {
		task_id = 0;
	}

	SP = task_sp[task_id];	// 把下一个task的sp放入到当前的SP
}


/**
  * @brief  任务0；
  * @param  None
  * @retval None
  */
void task0()
{
	
	LED_0 = 0;
	while (1) {
		
		if (tasks[0].status == TASK_SUSPENDED) {
			task_switch();
			continue;	// 如果任务处于sleep挂起状态，直接跳出		
		}


		LED_0 = ~LED_0;

		sleep(0, 1000); // 任务0，睡眠1s；没有任何阻塞；

		task_switch();	// 任务切换 
	}
}

/**
  * @brief  任务1；
  * @param  None
  * @retval None
  */
void task1()
{
	
	LED_1 = 0;
	while (1) {

		if (tasks[1].status == TASK_SUSPENDED) {
			task_switch();
			continue;	// 如果任务处于sleep挂起状态，直接跳出		
		}

		LED_1 = ~LED_1;
		sleep(1, 1000);
		task_switch();	// 任务切换 
	}
}


// 函数的地址（指针）占16bit；
// fn:存放函数的地址；
// tid：task id，0或1；

void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid)
{
	// 51单片机中，堆栈向上增长；
	task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;	 // 将任务堆栈指针设置为下一个空闲位置，预留2个Byte用来存放task的函数地址；

	// 存放task0或task1函数的首地址
	task_stack[tid][0] = fn & 0xff;
	task_stack[tid][1] = fn >> 8;  
}

task.h

#ifndef __TASK_H__
#define __TASK_H__


#include "main.h"



extern unsigned char idata task_sp[MAX_TASKS];		// 任务堆栈指针数组；
extern unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP];	// 任务堆栈， 2个任务，每个任务分配32Byte空间；

extern unsigned char task_id;

void task0();
void task1();
void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid);
void task_switch();


#endif

2.3> sleep.c


#include "sleep.h" 

Task idata tasks[MAX_TASKS] = {
	{0, TASK_RUNNING, 0, 0},	// 任务0，默认运行状态，不延时，当前延时时间0；
	{0, TASK_RUNNING, 0, 0},	// 任务1，默认运行状态，不延时，当前延时时间0；
};

void sleep(unsigned int task_id, unsigned int delay_ms)
{	
	tasks[task_id].status = TASK_SUSPENDED;
	tasks[task_id].delay_count = 0;
	tasks[task_id].delay_duration = delay_ms;
}

//1毫秒@22.1184MHz
void Timer0_Init(void)	
{
	TMOD &= 0xF0;	//设置定时器模式
	TMOD |= 0x01;	//设置定时器模式
	TL0 = 0xCD;		//设置定时初始值
	TH0 = 0xF8;		//设置定时初始值
	TF0 = 0;		//清除TF0标志

	ET0 = 1;
	EA = 1;
	TR0 = 1;		//定时器0开始计时
}


/*--- 定位器0中断服务函数, 1ms中断1次 ---*/
void Timer0_ISR(void) interrupt 1  
{
	unsigned char i;

	TL0 = 0xCD;		//设置定时初始值
	TH0 = 0xF8;		//设置定时初始值

	for (i = 0; i < MAX_TASKS; i++) {
		if (tasks[i].status == TASK_SUSPENDED) {
			tasks[i].delay_count++;

			if (tasks[i].delay_count >= tasks[i].delay_duration) {
				tasks[i].status = TASK_RUNNING;
				tasks[i].delay_count = 0;
			}
		}
	}

}

sleep.h

#ifndef __SLEEP_H__
#define __SLEEP_H__


#include "main.h"



typedef enum {
	TASK_RUNNING,
	TASK_SUSPENDED
} TaskStatus;


/*--- 定义任务结构体 ---*/
typedef struct {
	unsigned char id; 				// 任务id
	TaskStatus status;				// 任务状态
	unsigned int delay_count;		// 延时计数器
	unsigned int delay_duration;	// 延时时间
} Task;

extern Task idata tasks[MAX_TASKS];

void Timer0_Init(void);
void sleep(unsigned int task_id, unsigned int delay_ms);


#endif

3> 版本3：加时间片轮转

版本2中如果其中一个任务，不主动task_switch()切换任务，怎么办？
再用一个硬件资源Timer1，200us中断一次，并强制切换；

sleep.c 增加：


void Timer1_Init(void)		//200微秒@22.1184MHz
{
	TMOD &= 0x0F;			//设置定时器模式
	TMOD |= 0x10;			//设置定时器模式
	TL1 = 0xB8;				//设置定时初始值
	TH1 = 0xEE;				//设置定时初始值
	TF1 = 0;				//清除TF1标志
	
	ET1 = 1;
	EA = 1;
	TR1 = 1;				//定时器1开始计时
}




void Timer1_ISR(void) interrupt 3  
{
	TL1 = 0xB8;				//设置定时初始值
	TH1 = 0xEE;				//设置定时初始值
	
	task_switch();
}

代码没实现：

任务的优先级；
任务之间没有信号量，消息机制；
文件管理；
内存管理；

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