序
通過上一篇文章的介紹，我想讀者應該對多任務操作系統有了一個粗略整體的認識，雖然是一個簡陋的認識，但是對後面的學習卻至關重要。有了這個整體認識，剩下的就是實現了。
在構建這個OS的過程中，會涉及到一些硬件處理器的知識和基本的軟件知識：
內存管理單元(mmu)
緩存(Cache)
編譯環境(Makefile)
程序的結構(ELF)
鏈接和加載
ABI/EABI的一些規範
C和彙編的接口APCS
GCC工具集的使用 等等
當然會逐步的展開去講解，比如涉及到cache時，不會一上來就說cache的原理，講cache的寄存器每個bit的含義，然後進行源碼分析，這樣也許不僅不會幫助到初學者，反而可能讓想學習的人打了退堂鼓。因此在介紹的過程中我都會幫助讀者建立一個整體的認識，在整體的認識下，讀者就可以自己去深入細節了(硬件、軟件是如何具體的實現)，在深入細節的過程中來加強整體的認識。
例如：有的讀者在學習了第一章的知識，就可以以自己的代碼方式去實現多任務切換(細節)。
說明
構建這個ARM OS的不是為了供商業使用(沒有必要)，市場上有很多成熟的系統可供使用，真正的目的是為了學習，通過漸進式的方式講解操作系統的概念和實現原理，為後面的嵌入式boot/linux驅動開發的學習打下堅實的基礎。
函數調用堆棧
在上一篇文章提到了ARM處理器的基本模型(存儲程序計算機)：存儲器取指令-執行指令-再取指令-再執行無限循環往復，同時還有一個重要的計算機基礎內容：堆棧。
在計算器的石器時代，人們都是使用匯編語言進行程序開發，堆棧的概念並不是很重要。在有了高級語言之後，像C語言的函數調用必須藉助堆棧機制。
引出問題
這裡先要引出一個問題：什麼是ABI？什麼是EABI？嵌入式開發過程中常常會遇到很多奇怪的問題，也許答案就在這裡。
ABI是“Application Binary Interface”的縮寫，即應用程序二進制接口。它是編譯器和我們編寫彙編代碼時需遵循的規範。
ABI既然是一個規範，對於ARM來說其實就是針對ARM 體系結構的應用程序二進制接口 (ABI) 的文檔集，這些文檔包括 ARM 過程調用標準 (APCS)、ARM ELF、ARM DWARF、基礎平臺 ABI (BPABI)、C++ ABI、異常處理 ABI、運行時 ABI 和 C 庫 ABI。
這裡我們舉個簡單的例子來給大家說明，例如ARM 32bit架構的ABI規定了基本的數據類型，這些數據類型所佔用的內存字節數。
那麼各個廠商針對ARM 32架構的編譯器的就必須符合ARM的ABI規範，例如，C語言的char類型一般就分配單個字節內存(字節對齊同樣也有ABI規範)。
那我們能不能定義char類型佔用10個byte。答案是可以，自己造處理器，然後自己定義ABI規範。
既然編譯器都遵守相同的規範，那麼符合ABI接口的對象文件(OBJ)鏈接就可以在一起，而不需要考慮它們的源文件，同時符合ABI接口的可執行文件運行在任何支持ABI接口的系統中。
延伸
Linux內核關於ABI的配置選項
<code>make menuconfig
Kernel Features --->
[ ] Use the ARM EABI to compile the kernel
[ ] Allow old ABI binaries to run with this kernel (EXPERIMENTAL)/<code>
ABI規範裡面我們重點關注下AAPCS這篇文檔。下面主要來說下AAPCS主要的幾個關鍵點
定義基本的數據類型
C語言中存在各種基本數據類型，其所佔用的字節數是由處理器對應的ABI規範定義的。下圖列出了ARM 32處理器ABI規範
規範字節對齊處理
分配寄存器的功能
規定棧幀結構
函數參數的傳遞
函數返回值
關於ARM更多的ABI規範，這裡不再一一贅述了，可參考ARM官方網站的相關ARM手冊資料。
· ABI Introduction
· ABI Advisory Note 1
· Procedure Call Standard for the ARM Architecture Documentation
· ELF for the ARM Architecture Documentation
· DWARF for the ARM Architecture
· Base Platform ABI for the ARM Architecture
· C++ ABI for the ARM architecture Documentation
· Exception handling ABI for the ARM architecture Documentation
· Run-time ABI for the ARM Architecture
· C Library ABI for the ARM architecture Documentation
· Support for Debugging Overlaid Programs
· Addenda to, and Errata in, the ABI for the ARM Architecture Documentation
· Differences between v1 and v2 of the ABI for the ARM Architecture
實現
在實現之前，我們先來看下運行效果，程序中設計了四個任務，然後每個任務輪流執行,在linux環境下面輸入(qemu的使用可參考網絡資料):
qemu-arm a.out
OS代碼構成
OS編譯
代碼
pch.h
<code>
#define MAX_TASK_NUM 4
#define KERNEL_STACK_SIZE 1024*2*2
struct _thread {
\tunsigned long ip;
\tunsigned long sp;
};
typedef struct _pcb {
\tint pid;
\tvolatile long state; // -1:unrunnable,0 run >0: stoped
\tunsigned long stack[KERNEL_STACK_SIZE];
\tstruct _thread thread;
\tunsigned long task_entry;
\tstruct _pcb *next;
}pcb_t;/<code>
os.c
<code>#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "pcb.h"
static void my_process(void);
static void my_schedule(void);
static pcb_t task[MAX_TASK_NUM];
static pcb_t * my_current_task = NULL;
//static volatile int my_need_sched = 0;
int main(void)
{
int i = 0;
int pid = 0;
unsigned int cpsr = 0;
printf("==>this is my kernel\\n");\t
//init process 0
task[0].pid = 0;
task[0].state = 0;
task[0].task_entry = (unsigned long)my_process;
task[0].thread.ip = (unsigned long)my_process;
task[0].thread.sp = (unsigned long)&task[0].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
task[0].next = &task[0];
printf("==>sp=%x,ip=%x\\n",task[0].thread.sp,task[0].thread.ip);
for(i = 1; i < MAX_TASK_NUM; i ++){
\tmemcpy(&task[i],&task[0],sizeof(pcb_t));
task[i].pid = i;
\ttask[i].state = -1;
task[i].thread.sp = (unsigned long)&task[i].stack[KERNEL_STACK_SIZE-1];
\ttask[i].thread.ip = (unsigned long)my_process;
\ttask[i].next = task[i-1].next;
task[i-1].next = &task[i];
\tprintf("==>sp=%x,ip=%x\\n",task[i].thread.sp,task[i].thread.ip);
}
my_current_task = &task[0];
\tasm volatile(
\t\t"mov sp,%1\\n\\t"
\t\t"mov pc,%0\\n\\t"
\t\t:
\t\t:"r" (task[0].thread.ip),"r" (task[0].thread.sp)\t
\t);
\treturn 0;
}
static void my_schedule(void){
\tpcb_t *next,*prev;
\tif(my_current_task == NULL || my_current_task->next == NULL){
\t\treturn;
\t}
\tprintf(">>>>my_schedule<<<<\\n");
\t//schedule
\tnext = my_current_task->next;
\tprev = my_current_task;
\tif(next->state == 0){
\t\tmy_current_task = next;
\t\tprintf( ">>>>switch %d to %d <<<<\\n",prev->pid,next->pid);
#if 1
\t\tasm volatile(
\t\t\t"stmfd sp!,{r0-r12,lr}\\n\\t"
\t\t\t"str sp,%0\\n\\t"
\t\t\t"adrl r8,rettt\\n\\t"
\t\t\t"str r8,%1\\n\\t"
\t\t\t"ldr pc,%3\\n\\t"
\t\t\t"rettt:\\n\\t"
\t\t\t"ldr sp,%2\\n\\t"
\t\t\t"ldmfd sp!,{r0-r12,lr}\\n\\t"
\t\t\t:"=m" (prev->thread.sp),"=m" (prev->thread.ip)
\t\t\t:"m" (next->thread.sp), "m" (next->thread.ip)
\t\t\t:"r8"
\t\t);
#endif\t\t\t
\t}else{
\t\tnext->state = 0;
\t\tmy_current_task = next;
\t\tprintf(">>>>new switch %d to %d <<<<\\n",prev->pid,next->pid);
\t\t//switch to new process
#if 1
\t\tasm volatile(
\t\t\t"stmfd sp!,{r0-r12,lr}\\n\\t"
\t\t\t"str sp,%0\\n\\t"
\t\t\t"adrl r8,rettt\\n\\t"
\t\t\t"str r8,%1\\n\\t"
\t\t\t"ldr r8,%2\\n\\t"
\t\t\t"ldr r9,%3\\n\\t"
\t\t\t"mov sp,r8\\n\\t"
\t\t\t"mov pc,r9\\n\\t"
\t\t\t: "=m" (prev->thread.sp), "=m" (prev->thread.ip)
\t\t\t: "m" (next->thread.sp), "m" (next->thread.ip)
\t\t\t: "r8","r9"\t\t\t
\t\t);
#endif\t\t
\t}\t
}
static void my_process(){
int i = 0;
while(1){
i ++;
if(i%100000000 == 0){
printf("this is process %d -\\n",my_current_task->pid);
my_schedule();
printf("this is process %d +\\n",my_current_task->pid);
}
}
}/<code>
讀者可以嘗試在自己的虛擬機上編譯運行，看下效果，關於代碼具體細節這裡就不在解釋了。
關於OS的說明：
這個OS是基於孟寧老師linux3.6 X86的教學使用的。這裡修改為基於ARM的，並且後面會在這個OS基礎之上進行擴展，添加一些新的功能特性。
孟寧老師的項目地址：https://github.com/mengning/mykernel
預告
在做這個項目的時候，每次調試我都是手動輸入編譯命令，編譯是非常頻繁、動作週而復始，然而隨著項目的擴張，源碼文件越來越多，是否還要繼續這樣？有沒有什麼工具能夠幫助我們來構建一個專業和高效的開發環境？答案是有。
後面將會講到如何使用make來搭建一個開發環境。除了開發環境是不是還有別的需要做？
上面os實現的是各個任務按照一定的時間輪流執行，其實這個就稱之為調度器。
任務調度算法：
根據一個標準，找到下一個將要運行的任務，然後將正在運行的任務和將要運行的任務做一次上下文切換。那麼這個標準就是我們要說的調度算法。
後面會將現在的OS調度算法進行擴充，能夠支持基於優先級的調度算法。
延伸
基於優先級和時間片、以及這兩種算法的不同組合衍生出不同的調度算法？linux的調度算法？有興趣的讀者可以深入。
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