用 400 行代码编写实时操作系统（IV）：观察奔跑的麻雀

最编程 2024-10-14 14:23:33

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为了验证上一节笔者所说的学习方法，笔者决定让Sparrow先跑起来，并且使用gdb调试Sparrow。不过在此之前，笔者先简单说一下Sparrow RTOS是如何工作的，因为程序只是算法的体现，了解必要的算法，再去看实现，会轻松不少。

RTOS，也就是实时操作系统，它与裸机的一个重大区别就是拥有了多线程。多线程，简单理解就是多个任务同时运行。

我们知道mcu在同一时间只能做一件事情，执行一个上下文的代码，在裸机中我们使用while（1）的形式来进行轮询，while（1）中是任务，通常是执行完一个任务代表的函数再去执行下一个，一个任务代表执行的最小单元，那么我们可不可以把任务进行分割呢？

试想，如果mcu不断切换任务，那不就能做到看起来是在同时做两件事情吗？这当然是可以的。

rtos的本质就是不断切换任务达到模拟同时的效果，它把任务分割为更小的单元，从更微观的层面分配任务执行的时间。

我们把切换任务的过程称为上下文切换。

读者想一想，在arm架构中，有什么东西能够持续执行，完成上下文切换的任务？

答案是：中断！

中断是一种异常，在发生中断时，单片机会保存现场，在中断完成后，会及时恢复现场。那么，假设只有两个任务，一个是正常执行的任务，一个是中断中的任务，假设中断不断发生，从微观层面上看，单片机的任务执行过程是这样的：

但是从宏观层面上，可不可以理解成这样呢？

读者发现没有，如果我们能利用中断不断分割任务执行的尺度，那么它不就看起来是并行的吗？

承接上文，笔者将会实践上一篇博客中所说的学习方法。

在第一篇博客中我们已经完成了Sparrow的移植，现在让我们开始上手操作。

先在Sparrow启动程序这里打上断点（笔者使用的调试软件是gdb，读者也可以使用keil，都是一样的）：

现在我们进入了启动程序内部：

通过注释，我们可以判断，这是在配置中断，联系上文笔者所说，上下文切换与中断息息相关，所以我们现在要去查找程序中相关的中断。

继续执行程序，我们发现我们进入了一个由汇编程序组成的函数中，这是SVC中断，通过注释，我们知道，就是它开启了第一个任务：

继续执行，果然，它进入了第一个任务内部：

为了观察上下文切换，程序中的中断是首要观察目标，我们在xPortPendSVHandler和SysTick_Handler里面打上断点，继续执行，在执行完TaskDelay后，程序进入了xPortPendSVHandler中断函数内部：

现在让笔者告诉大家，它就是执行上下文切换的中断，在一定时间内它都会触发，完成上下文切换。

继续执行，程序来到了vTaskSwitchContext，看函数名称读者便知道，上下文切换要完成了：

对于单片机来说，一个周期内能做无数次事情，我们继续一行行执行，不知道要执行多久，所以我们直接快速运行程序（gdb使用c命令运行到下一个断点处），我们发现我们来到了systick中断这里：

对systick有了解的朋友知道，它是一个时钟，也就是说，它会在一定时间周期触发，继续快速运行，我们发现我们又来到了pendsv中断内部：

难道说，systick中断会在一定周期触发PendSV中断，从而不断进行上下文切换吗？

是的，这是正确的！

通过对RTOS原理的一些简单介绍以及上手调试，我们大概知道了RTOS的运行原理：通过中断来进行上下文切换，同时systick中断会不断触发中断，从而使各个任务不断进行切换，从而模拟并行线程。