用十分鐘《向 jserv 學習作業系統設計》

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1. 用十分鐘 向 jserv 學習作業系統設計 陳鍾誠 2016 年 9 月 21 日 程式人《十分鐘系列》 程式人《十分鐘系列》 本文衍生自維基百科
2. 我是金門大學資工系的老師
3. 這學期 • 有組專題學生說要寫作業系統！
4. 好樣的！
5. 那當然好啊！
6. 但是學生說 • 我們先各自看《怎麼寫作業系統》 的書，看完之後再開始寫！
7. 我想想
8. 感覺不太妙！
9. 等你們看完
10. 搞不好這學期就過完了！
11. 到時候
12. 你們被當了！
13. 我也過意不去！
14. 所以
15. 我建議學生們
16. 直接從 jserv 的 700 行系列開始
17. 看看高手怎麼寫
18. 先瞭解怎麼寫出第一個
19. 然後再來寫自己的作業系統
20. 這樣感覺比較可行！
21. 現在 •就讓我們來看看！
22. Jserv 的 700 行系列吧！
23. 我曾經研究過 • 這系列中的 Rubi JIT compiler
24. 寫得很棒！
25. 又清楚 •又簡短 •執行速度又超快！
26. 現在要研究作業系統
27. 我想從 jserv 的 700 行系列開始 •應該是個不錯的選擇！
28. 我們研究的標的物 • 是 jserv 的 Mini ARM OS https://github.com/embedded2015/mini-arm-os
29. 讓我們從第一個 • 00-HelloWorld 開始
30. 主程式 main.c • 看來是用 UART 傳回一 個 hello World! 字串 • 傳回到 UART 接收電腦 上！ ( 這電腦通常就是 你用來編譯程式的那一 台 )
31. main.c 的其他部分 • 基本上就是用 記憶體映射的 方式，進行設定 和輸出操作！ 設定 輸出操作
32. 但是、這只是一般的嵌入式寫法 • 啟動程式在哪裡呢？ 我想應該是這裡吧？
33. 點進去看看 • 挖！ • 連啟動程式 都是用 C 寫的 • 竟然不需要 半行組合語言 中斷向量表
34. 然後用 連結的 ld 檔 • 指定中斷向量 必須放在程式 的前面。 中斷向量 放前面 中斷向量 程式內容
35. 當然 • 還需要 寫 makefile 用 arm-none-eabi-gcc 交叉型編譯器，將系統 編成 ARM 的映像檔 然後用 qemu 來試跑
36. 而那些 • 和板子有關的記 憶體映射位址 • 則是放在 reg.h 當中！
37. 這樣 •我們就看完了，第一個 Hello World! 的專案了！
38. 只是、這還不能算一個作業系統 • 只能算是可以開機印字的程式而已！
39. 但是看完後 •已經學到不少東西了！
40. 接著看 01-HelloWorld 吧！ • 奇怪的是，怎麼有兩個 HelloWorld 呢？ – 00-HelloWorld – 01-HelloWorld – ???
41. 比較一下，會發現 • 01 版的 HelloWorld ， 包含了 data 段 與 BSS 段的內容
42. 其 startup.c 裏 • 也多了這方面的定義與處理
43. 接著讓我們開始進入 比較令人興奮的主題 • 那就是 ContextSwitch ( 內文切換 )
44. 所謂的內文切換 • 就是 multi-tesking 的多工作業系統，要 切換 task 時，所需要做的動作。 • 這個動作通常需要儲存原 task 的暫存器， 然後切換成新 task 的暫存器。
45. 先看 02-ContextSwitch-1 • 使用者任務 usertask • 切換動作 https://github.com/embedded2015/mini-arm-os/blob/master/02-ContextSwitch-1/os.c 問題是： activate 到底是甚麼呢？
46. 原來定義在 context_switch.S 這個組合語言檔裡面 問題是： activate 到底是甚麼呢？ 答案是：這一段組合語言程式 這一段特別重要，是內文切換的 重點程式！ 但是也特別難懂 … XD
47. 要理解 context_switch.S • 必須對 STM32 的 ARM Cotex M3 系列有所瞭解才行
48. 想瞭解必須參考下列文件 • The Definitive Guide To ARM Cortex M3 http://tinymicros.com/mediawiki/images/7/75/Definitive_Guide_To_The_ARM_Cortex_M3.pdf
49. ARM Cortex M3 的通用暫存器如下
50. 特用暫存器如下
51. 記憶體映射配置如下
52. 堆疊暫存器 MSP,PSP 的功能
53. 特殊暫存器的用途
54. 狀態暫存器的存取方式
55. 控制暫存器的位元與用途
56. 這樣我們就找到了 context_switch.S 裡的關鍵資訊，整理如下：
57. 再重新看一次 context_switch.S
58. 把每一行的意義寫上 // 儲存核心暫存器 // 包含在 ip 中的 psr // ip <= psr ( 狀態暫存器 ) // psp <= r0, r0 裡放的是 task 的堆疊，因為 activate(stack) // control <= #3=0x011, 切換到使用者堆疊 (process stack) // 載入行程的暫存器 // 跳到剛剛取出的 lr 暫存器，也就是行程的指令位址上開始執行
59. 現在我們已經確定 • context_switch.S 的 activate 函 數，確實完成了行程切換的動作了！
60. 接著就可以看下一個 • 03-ContextSwitch-2 專案了！ https://github.com/embedded2015/mini-arm-os/tree/master/03-ContextSwitch-2 多了 syscall.S 應該是系統呼叫
61. syscall.S 的內容 // 這軟體中斷是幹嘛的 ??? // 返回
62. 我們得查查 svc 0 是做甚麼的？
63. 本來我查到的是 svc 0 會印 R0 所指向的字串
64. 但是我誤會了 • 那段只是舉 例，不是真的 • Jserv(Jim Huang) 跳出 來解說！
65. 所以 syscall.S 的內容 • 主要是切換模式，回到 OS 控制下 // 從 user mode 切換到 kernel mode // 返回 http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=%2Fcom.arm.doc.dai0179b%2Far01s02s07.html
66. 於是 os.c 裡也可以進行系統呼叫了 // 會從 user mode 切換到 kernel mode 交還控制權給 OS // 原本只會用 UART 傳回給主電腦印出的 // 會從 user mode 切換到 kernel mode 交還控制權給 OS
67. 為了處理系統呼叫 syscall context_switch.S 也多了中斷處理 // 中斷時先儲存使用者行程狀態 ( 暫存器群 ) // 然後再恢復核心的狀態 ( 暫存器群 )
68. 以上就是《內文切換》的範例
69. 接著要進入《多工》 multitasking 的世界
70. 檔案名稱幾乎沒改變
71. 但顯然加入了 task 的概念 https://github.com/embedded2015/mini-arm-os/blob/master/04-Multitasking/os.c
72. 然後寫了兩個 task
73. 並且啟動了這兩個 task
74. 還寫了大輪迴的排程法 以大輪迴方式選擇下一個行程
75. 但是這個大輪迴排程是有缺陷的 • 因為沒有強制時間中斷，所以使用者 task 如果當掉了，那系統也會因此當掉。 • 只有在使用者 task 都正常地以 syscall 呼 叫交還控制權給 OS 時，系統才能持續正 常運作
76. 這讓我想到很久以前 • Windows 3.1 的那個協同式多工 ( 這個故事應該至少要四十歲以上的人才會知道了 )
77. 所以我們需要先學習 •如何加入強制時間中斷！
78. 這就是專案 05-TimerInterrupt 的目的
79. 在專案的 hello.c 裏有這段 // 因為系統頻率為 72M ，所以設定 7.2M 的話 // 每 0.1 秒會時間中斷一次！
80. 當然、這些變數的記憶體映射 •都定義在 reg.h 檔案裏了！
81. 學會強制時間中斷之後 • 我們就可以把那個《不夠好的排程 系統》，加入《強制時間中斷》的 功能了！
82. 這就是下一個專案的任務了
83. 專案 06-preemtive 一樣啟動兩個 task
84. 而且一樣用大輪迴排班
85. 而且每 0.1 秒觸發一次時間中斷 每秒觸發十次
86. 然後開始放下兩個死賴很久的行程 讓他們會常常被中斷
87. 這種大輪迴排程 • 就是所謂的 round-robin scheduler 了！
88. 現在我們看完一個 • 完整的《嵌入式作業系統》了！
89. 不過目前的寫法 • 模組化還不夠好！ • 另外功能也還太弱！
90. 所以接下來的專案 •所以我們需要進一步模組化 •然後加入像《記憶體管理》 之類的功能！
91. 這就是專案 07-Threads 的任務了
92. 這專案包含了 malloc 記憶體管理 以及 threads 的管理
93. 每個模組都有適當的 API
94. 還不錯的資料結構
95. 還有相當精簡的實作
96. 並且把組合語言全改內嵌式寫法
97. 於是只剩下了 C 語言的檔案
98. 這些就是 • 我從 jserv 的 Mini-ARM OS 專案 上，所學到的作業系統設計實務！
99. 歡迎直接到下列網址 • https://github.com/embedded2015/mini-arm-os
100. 閱讀並執行那個寫得非常棒的 •mini-arm-os 專案！
101. 相信您會有很大的收穫才對！
102. 這就是 •我們今天的十分鐘系列！
103. 我們下回見！