嵌入式系統是如何設計的
嵌入式系統是如何設計的
1.多工機制
其實在單一CPU 的情況下，是不存在真正的多工機制的，存在的只有不同的任務輪流使用CPU，所以本質上還是單任務的。但由於CPU執行速度非常快，加上任務切換十分頻繁並且切換的很快，所以我們感覺好像有很多工同時在執行一樣。這就是所謂的多工機制。
實時系統的特徵是延時可預測，能夠在一個規定的時間內(通常是 ms 級別的)對某些訊號做出反應。
2.任務的狀態
任務有下面的特性：任務並不是隨時都可以執行的，而一個已經執行的任務並不能保證一直佔有 CPU 直到執行完。一般有就緒態，執行態，掛起態等。
- 執行態：一個執行態的任務是一個正在使用 CPU 的任務。任何時刻有且只有一個執行著的任務。
- 就緒態：一個就緒態任務是可執行的，等待佔有 CPU 的任務釋放 CPU。
- 掛起態：某些條件不滿足而掛起不能執行的狀態。
3. 如何轉化為就緒態
INT32U OSRdyTbl; /* 就緒任務表 */
上面定義一個 32 位變數，每一位代表一個任務，0 表示掛起狀態，1 表示就緒狀態。它記錄了各任務的就緒與否狀態，稱它為就緒表。OSRdyTbl 定義為 32 位變數，對應32 個任務。當然，定義為 64 位的話，便最多能支援 64 個任務。這樣，可以定義兩個巨集，實現把任務的狀態變為就緒或掛起態。
/* 在就緒表中登記就緒任務 */
#define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01<<prio;} //把相應位置1
/* 從就緒表中刪除任務 */
#define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01<<prio); }//把相應位清零
任務之間互相獨立，不存在互相呼叫的關係。所有任務在邏輯上都是平等的。由於任務之間互相看不見，所以他們之間的資訊傳輸就無法當面完成。這就需要各種通訊機制如訊號量，訊息郵箱，佇列等來實現。
4.什麼是搶佔式排程？
排程的概念，通俗的說就是系統在多個任務中選擇合適的任務執行。系統如何知道何時該執行哪個任務？可以為每個任務安排一個唯一的優先級別，當同時有多個任務就緒時，優先執行優先順序較高的任務。同時，任務的優先順序也作為任務的唯一標識號。程式碼中都是對標識號來完成對任務的操作的。
所謂“搶佔式排程”是指：一旦就緒狀態中出現優先權更高的任務，便立即剝奪當前任務的執行權，把CPU分配給更高優先順序的任務。這樣CPU 總是執行處於就緒條件下優先順序最高的任務。
5.多工系統的時間管理
與人一樣，多工系統也需要一個“心跳”來維持其正常執行，這個心跳叫做時鐘節拍，通常由定時器產生一個固定週期的中斷來充當。
OSTimeDly 函式就是以時鐘節拍為基準來延時的（在時鐘的中斷服務函式中，依次對各個延時任務的延時節拍數減1。若發現某個任務的延時節拍數變為0，則把它從掛起態置為就緒態。）。這個函式完成功能很簡單，就是先掛起當起當前任務，設定其延時節拍數，然後進行任務切換，在指定的時鐘節拍數到來之後，將當前任務恢復為就緒狀態。任務必須通過OSTimeDly或 OSTaskSuspend 讓出CPU的使用權（延時或等待事件），使更低優先順序任務有機會執行。
6.如何實現多工？
只有一個CPU，如何在同一時間實現多個獨立程式的執行？要實現多工，條件是每個任務互相獨立。人如何才能獨立，有自己的私有財產。任務也一樣，如果一個任務有自己的CPU，堆疊，程式程式碼，資料儲存區，那這個任務就是一個獨立的任務。（CPU是通過多工機制獲得的，其他的需要你分配）
TIPS：
如果一個任務正在執行某個公共函式時（如Printf）， 被另一個高優先順序的任務搶佔，那麼當這個高優先順序的任務也呼叫同一個公共函式時，極有可能破壞原任務的資料。因為兩個任務可能共用一套資料。為了防止這種情況發生，常採用兩種措施:可重入設計和互斥呼叫。
可重入函式中所有的變數均為區域性變數，區域性變數在呼叫時臨時分配空間，所以不同的任務在不同的時刻呼叫該函式時，它們的同一個區域性變數所分配的儲存空間並不相同（任務私有棧中），互不干擾。另外，如果可重入函式呼叫了其他函式，則這些被呼叫的函式也必須是可重入函式。
實現互斥（獨佔）訪問的方法有關中斷，關排程，互斥訊號量，計數訊號量等。
6.1 一個任務如何擁有自己的程式程式碼
對於如何實現多工，首先是程式程式碼，每個任務的程式程式碼與函式一樣，與51 的裸奔程式一樣，每個任務都是一個大迴圈。然後是資料儲存區，由於全域性變數是系統共用的，各個任務共享，不是任務私有，所以這裡的資料儲存區是指任務的私有變數，如何變成私有？區域性變數也。編譯器是把區域性變數儲存在棧裡的，所以好辦，只要任務有個私有的棧就行。
TIPS：
臨界資源是一次僅允許一個任務使用的共享資源。每個任務中訪問臨界資源的那段程式稱為臨界區。
在多工系統中，為保障資料的可靠性和完整性，共享資源要互斥（獨佔）訪問，所以全域性變數（只讀的除外）不能同時有多個任務訪問，即一個任務訪問的時候不能被其他任務打斷。共享資源是一種臨界資源。
6.2 一個任務如何擁有自己的堆疊、資料儲存區
私有棧的作用是存放區域性變數，函式的引數，它是一個線性的空間，所以可以申請一個靜態陣列，把棧頂指標SP指向棧的陣列的首元素（遞增棧）或最後一個元素（遞減棧）。即可打造一個人工的棧出來。每個任務還要有記錄自己棧頂指標的變數，儲存在任務控制塊（TCB）中。
什麼是任務控制塊？
系統中的每個任務具有一個任務控制塊，任務控制塊記錄任務執行的環境，這裡的任務控制塊比較簡單，只包含了任務的堆疊指標和任務延時節拍數。任務控制塊是任務的身份證。它把任務的程式與資料聯絡起來，找到它就可以得到任務的所有資源。
6.3 一個任務如何擁有自己的CPU
最後來看看任務是如何“擁有”自己的CPU 的。只有一個 CPU，各個任務共享，輪流使用。如何才能實現？我們先來看看中斷的過程，當中斷來臨時，CPU 把當前程式的執行地址，暫存器等現場資料儲存起來（一般儲存在棧裡），然後跳到中斷服務程式執行。待執行完畢，再把先前儲存的資料裝回CPU 又回到原來的程式執行。這樣就實現了兩個不同程式的交叉執行。
借鑑這種思想不就能實現多工了嗎！模仿中斷的過程就可以實現任務切換執行。任務切換時，把當前任務的現場資料儲存在自己的任務棧裡面，再把待執行的任務的資料從自己的任務棧裝載到CPU中，改變 CPU 的 PC，SP，暫存器等。可以說，任務的切換是任務執行環境的切換。而任務的執行環境儲存在任務棧中，也就是說，任務切換的關鍵是把任務的私有堆疊指標賦予處理器的堆疊指標SP。
建立一個任務。它接收三個引數，分別是任務的入口地址，任務堆疊的首地址和任務的優先順序。呼叫本函式後，系統會根據使用者給出的引數初始化任務棧，並把棧頂指標儲存到任務控制塊中，在任務就緒表標記該任務為就緒狀態。最後返回，這樣一個任務就建立成功了。
當一個任務將要執行時，便通過取得它的堆疊指標（儲存在任務控制塊中）將這些暫存器出棧裝入CPU 相應的位置即可。
6.4 如何實現搶佔式排程？
基於任務優先順序的搶佔式排程，也就是最高優先順序的任務一旦處於就緒狀態，則立即搶佔正在執行的低優先順序任務的處理器資源。為了保證CPU 總是執行處於就緒條件下優先順序最高的任務，每當任務狀態改變後，即判斷當前執行的任務是否是就緒任務中優先順序最高的，否則進行任務切換。
任務狀態會在什麼時候發生改變呢？有下面兩種情況：
1、高優先順序的任務因為需要某種資源或延時，主動請求掛起，讓出處理器，此時將排程就緒狀態的低優先順序任務獲得執行，這種排程稱為任務級的切換。如任務執行OSTimeDly（）或OSTaskSuspend（）把自身掛起就屬於這種。
2、高優先順序的任務因為時鐘節拍到來，或在中斷處理結束後，核心發現更高優先順序任務獲得了執行條件(如延時的時鐘到時)則在中斷後直接切換到更高優先順序任務執行。這種排程也稱為中斷級的切換。
6.5 掛起/恢復任務
- 掛起任務
通過 OSTaskSuspend()可以主動掛起一個任務。OSTaskSuspend()會把任務從任務就緒表中移出，最後重新啟動系統排程。這個函式可以掛起任務本身也可以掛起其他任務。
- 恢復任務（
OSTaskResume()）
可以讓被OSTaskSuspend或 OSTimeDly 掛起的任務恢復就緒態，然後進行任務排程。