300行代码实现一个多任务OS

2022-09-25 今日头条嵌入式Linux

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本期主角：cola_os，它是一个300多行代码实现的多任务管理的OS，在很多MCU开发中，功能很简单，实时性要求不强，任务多了管理不当又很乱。

如果使用RTOS显得太浪费，这时候可以尝试使用使用cola_os这类基于软件定时器实现的时间片轮询框架。

仓库链接：

https://gitee.com/schuck/cola_os

license：MulanPSL-1.0（木兰宽松许可证, 第1版）。

cola_os是一份简洁明了的代码，包含很多有用的编程思想，值得通读。下面我们一起来学习一下：

cola_os的分析及使用

其实关于cola_os其实我们前几天的推文中也有做介绍。今天我们再一起来完整地梳理一遍。

cola_os目前的内容如：

1、cola_os

cola_os就是cola_os的任务管理模块。任务使用链表进行管理，其数据结构如：

typedef void (*cbFunc)(uint32_t event); typedef struct task_s { uint8_t timerNum; //定时编号 uint32_t period; //定时周期 bool oneShot; //true只执行一次 bool start; //开始启动 uint32_t timerTick; //定时计数 bool run; //任务运行标志 bool taskFlag; //任务标志是主任务还是定时任务 uint32_t event; //驱动事件 cbFunc func; //回调函数 struct task_s *next; }task_t;

每创建一个任务吗，就是往任务链表中插入一个任务节点。

其创建任务的方法有两种：

创建主循环任务
创建定时任务

两种方式创建，都是会在while(1)循环中调度执行任务函数。

我们可以看看cola_task_loop任务遍历函数，这个函数最终是要放在主函数while(1)中调用的。其内容如：

void cola_task_loop(void) { uint32_t events; task_t *cur = task_list; OS_CPU_SR cpu_sr; while( cur != NULL ) { if(cur->run) { if(NULL !=cur->func) { events = cur->event; if(events) { enter_critical(); cur->event = 0; exit_critical(); } cur->func(events); } if(TASK_TIMER == cur->taskFlag) { enter_critical(); cur->run = false; exit_critical(); } if((cur->oneShot)&&(TASK_TIMER == cur->taskFlag)) { cur->start = false; } } cur = cur->next; } }

两种方式创建的任务都会在cur->func(events);被调用。不同的就是：遍历执行到定时任务时，需要清掉定时相关标志。

其中，events作为任务函数的参数传入。从cola_task_loop可以看到，事件并未使用到，events无论真还是假，在执行任务函数前，都被清零了。events的功能应该是作者预留的。

创建任务很简单，比如创建一个定时任务：

static task_t timer_500ms; //每500ms执行一次 static void timer_500ms_cb(uint32_t event) { printf("task0 running...n"); } cola_timer_create(&timer_500ms, timer_500ms_cb); cola_timer_start(&timer_500ms, TIMER_ALWAYS, 500);

cola_os是基于软件定时器来进行任务调度管理的，需要一个硬件定时器提供时基。比如使用系统滴答定时器，配置为1ms中断一次。

在1ms中断中不断轮询判断定时计数是否到达定时时间：

void SysTick_Handler(void) { cola_timer_ticker(); } void cola_timer_ticker(void) { task_t *cur = task_list; OS_CPU_SR cpu_sr; while( cur != NULL ) { if((TASK_TIMER == cur->taskFlag)&& cur->start) { if(++cur->timerTick >= cur->period) { cur->timerTick = 0; if(cur->func != NULL) { enter_critical(); cur->run = true; exit_critical(); } } } cur = cur->next; } }

如果到了则将标志cur->run置位，在while大循环中的cola_task_loop函数中如果检测到该标志就执行该任务函数。

2、cola_device

cola_device是硬件抽象层，使用链表来管理各个设备。其借鉴了RT-Thread及linux相关驱动框架思想。大致内容如：

数据结构如：

typedef struct cola_device cola_device_t; struct cola_device_ops { int (*init) (cola_device_t *dev); int (*open) (cola_device_t *dev, int oflag); int (*close) (cola_device_t *dev); int (*read) (cola_device_t *dev, int pos, void *buffer, int size); int (*write) (cola_device_t *dev, int pos, const void *buffer, int size); int (*control)(cola_device_t *dev, int cmd, void *args); }; struct cola_device { const char * name; struct cola_device_ops *dops; struct cola_device *next; };

硬件抽象层的接口如：

/* 驱动注册 */ int cola_device_register(cola_device_t *dev); /* 驱动查找 */ cola_device_t *cola_device_find(const char *name); /* 驱动读 */ int cola_device_read(cola_device_t *dev, int pos, void *buffer, int size); /* 驱动写 */ int cola_device_write(cola_device_t *dev, int pos, const void *buffer, int size); /* 驱动控制 */ int cola_device_ctrl(cola_device_t *dev, int cmd, void *arg);

首先，在驱动层注册好设备，把操作设备的函数指针及设备名称插入到设备链表中：

static cola_device_t led_dev; static void led_GPIO_init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOC, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PIN_GREENLED; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; GPIO_Init(PORT_GREEN_LED, &GPIO_InitStructure); LED_GREEN_OFF; } static int led_ctrl(cola_device_t *dev, int cmd, void *args) { if(LED_TOGGLE == cmd) { LED_GREEN_TOGGLE; } else { } return 1; } static struct cola_device_ops ops = { .control = led_ctrl, }; static void led_register(void) { led_gpio_init(); led_dev.dops = &ops; led_dev.name = "led"; cola_device_register(&led_dev); }

cola_device_register函数如：

int cola_device_register(cola_device_t *dev) { if((NULL == dev) || (cola_device_is_exists(dev))) { return 0; } if((NULL == dev->name) || (NULL == dev->dops)) { return 0; } return device_list_inster(dev); }

驱动注册好设备之后，应用层就可以根据设备名称来查找设备是否被注册，如果已经注册则可以调用设备操作接口操控设备。比如创建一个定时任务定时反转led：

void App_init(void) { app_led_dev = cola_device_find("led"); assert(app_led_dev); cola_timer_create(&timer_500ms,timer_500ms_cb); cola_timer_start(&timer_500ms,TIMER_ALWAYS,500); } static void timer_500ms_cb(uint32_t event) { cola_device_ctrl(app_led_dev,LED_TOGGLE,0); }3、cola_init

cola_init是一个自动初始化模块，模仿Linux的initcall机制。RT-Thread也有实现这个功能：

一般的，我们的初始化在主函数中调用，如：

有了自动初始化模块，可以不在主函数中调用，例如：

void SystemClock_Config(void) { } pure_initcall(SystemClock_Config);

这样也可以调用SystemClock_Config。pure_initcall如：

#define __used __attribute__((__used__)) typedef void (*initcall_t)(void); #define __define_initcall(fn, id) static const initcall_t __initcall_##fn##id __used __attribute__((__section__("initcall" #id "init"))) = fn; #define pure_initcall(fn) __define_initcall(fn, 0) //可用作系统时钟初始化 #define fs_initcall(fn) __define_initcall(fn, 1) //tick和调试接口初始化 #define device_initcall(fn) __define_initcall(fn, 2) //驱动初始化 #define late_initcall(fn) __define_initcall(fn, 3) //其他初始化

在cola_init中，首先是调用不同顺序级别的__define_initcall宏来把函数指针fn放入到自定义的指定的段中。各个需要自动初始化的函数放到指定的段中，形成一张初始化函数表。

__ attribute __ (( __ section __)) 关键字就是用来指定数据存放段。

do_init_call函数在我们程序起始时调用，比如在bsp_init中调用：

void bsp_init(void) { do_init_call(); }

do_init_call里做的事情就是遍历初始化函数表里的函数：

void do_init_call(void) { extern initcall_t initcall0init$$Base[]; extern initcall_t initcall0init$$Limit[]; extern initcall_t initcall1init$$Base[]; extern initcall_t initcall1init$$Limit[]; extern initcall_t initcall2init$$Base[]; extern initcall_t initcall2init$$Limit[]; extern initcall_t initcall3init$$Base[]; extern initcall_t initcall3init$$Limit[]; initcall_t *fn; for (fn = initcall0init$$Base; fn < initcall0init$$Limit; fn++) { if(fn) (*fn)(); } for (fn = initcall1init$$Base; fn < initcall1init$$Limit; fn++) { if(fn) (*fn)(); } for (fn = initcall2init$$Base; fn < initcall2init$$Limit; fn++) { if(fn) (*fn)(); } for (fn = initcall3init$$Base; fn < initcall3init$$Limit; fn++) { if(fn) (*fn)(); } }

这里有initcall0init $$ Base及initcall0init Limit这几个initcall_t类型的函数指针数组的声明。它们事先是调用__define_initcall把函数指针fn放入到自定义的指定的段.initcall0init、.initcall1init、.initcall2init、.initcall3init。

initcall0init$$Base与initcall0init$$Limit按照我的理解就是各个初始化函数表的开始及结束地址。从而实现遍历：

for (fn = initcall0init$$Base; fn < initcall0init$$Limit; fn++) { if(fn) (*fn)(); }

例如RT-Thread里的实现也是类似的：

volatile const init_fn_t *fn_ptr; for (fn_ptr = &__rt_init_rti_board_start; fn_ptr < &__rt_init_rti_board_end; fn_ptr++) { (*fn_ptr)(); }

关于init自动初始化机制大致就分析这些。

cola_os包含有cola_os任务管理、cola_device硬件抽象层及cola_init自动初始化三大块，这三块内容其实可以单独抽出来学习、使用。

4、cola_os的使用

下面我们基于小熊派IOT开发板来简单实践实践。

我们创建两个定时任务：

task0任务：定时500ms打印一次。
task1任务：定时1000ms打印一次。

main.c：

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/ static task_t timer_500ms; static task_t timer_1000ms; /* USER CODE END PV */ /* Private function prototypes -----------------------------------------------*/ void SystemClock_Config(void); /* USER CODE BEGIN PFP */ /* Private function prototypes -----------------------------------------------*/ /* USER CODE END PFP */ /* USER CODE BEGIN 0 */ //每500ms执行一次 static void timer_500ms_cb(uint32_t event) { printf("task0 running...n"); } //每1000ms执行一次 static void timer_1000ms_cb(uint32_t event) { printf("task1 running...n"); } int main(void) { /* USER CODE BEGIN 1 */ /* USER CODE END 1 */ /* MCU Configuration----------------------------------------------------------*/ /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */ HAL_Init(); /* USER CODE BEGIN Init */ /* USER CODE END Init */ /* Configure the System clock */ // SystemClock_Config(); /* USER CODE BEGIN SysInit */ /* USER CODE END SysInit */ /* Initialize all configured peripherals */ MX_GPIO_Init(); MX_DMA_Init(); MX_USART1_UART_Init(); /* USER CODE BEGIN 2 */ printf("微信公众号：嵌入式大杂烩rn"); printf("cola_os test!rn"); cola_timer_create(&timer_500ms,timer_500ms_cb); cola_timer_start(&timer_500ms,TIMER_ALWAYS,500); cola_timer_create(&timer_1000ms,timer_1000ms_cb); cola_timer_start(&timer_1000ms,TIMER_ALWAYS,1000); /* USER CODE END 2 */ /* Infinite loop */ /* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1) { /* USER CODE END WHILE */ /* USER CODE BEGIN 3 */ cola_task_loop(); } /* USER CODE END 3 */ } /** * @brief System Clock Configuration * @retval None */ void SystemClock_Config(void) { RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct; RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct; RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit; /**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */ RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI; RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON; RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = 0; RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_6; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_MSI; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 40; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV7; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2; if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) { _Error_Handler(__FILE__, __LINE__); } /**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks */ RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK) { _Error_Handler(__FILE__, __LINE__); } PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART1; PeriphClkInit.Usart1ClockSelection = RCC_USART1CLKSOURCE_PCLK2; if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK) { _Error_Handler(__FILE__, __LINE__); } /**Configure the main internal regulator output voltage */ if (HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1) != HAL_OK) { _Error_Handler(__FILE__, __LINE__); } /**Configure the Systick interrupt time */ HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000); /**Configure the Systick */ HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK); /* SysTick_IRQn interrupt configuration */ HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0); } pure_initcall(SystemClock_Config);

SysTick_Handler：

void SysTick_Handler(void) { /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 0 */ /* USER CODE END SysTick_IRQn 0 */ cola_timer_ticker(); HAL_IncTick(); HAL_SYSTICK_IRQHandler(); /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 1 */ /* USER CODE END SysTick_IRQn 1 */ }

编译、下载、运行：

从运行结果可以看到，task1的定时周期是task0的两倍，符合预期。

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