400行程序写一个实时操作系统（十）：用面向对象思想构建抢占式内核

前言

通过前几章的学习，我们学会了如何为RTOS设计一个合理的内存管理算法。现在，是时候学习设计RTOS内核了。

关于RTOS内核的文章也有很多，但都有一点先射箭再化靶子的意味。要么是代码连篇解释却寥寥无几，要么是要先怎么样再怎么样的说教式教程。并不是说这样的教程不好，而是他们缺乏读者普遍需要的东西，也就是更关键的思想方法！

为此，笔者决定：从我们的需求与应用出发，通过从结果思考过程的方式，使用面向对象的思想，逐步构建一个RTOS的内核。

程序 = 数据结构 + 算法

至于为什么要使用面向对象的思想，是因为面向对象思想本身和程序 = 数据结构 + 算法思想就是相通的，我们可以通过类和对象来表现数据结构，通过方法实现算法，从对象与对象的交互关系来构建，从而实现更加健壮的程序。

另外再借用linus的一句话："Bad programmers worry about the code. Good programmers worry about data structures and their relationships."

我们需要实现什么？

如果读者有过使用RTOS的经历，那么请你思考：RTOS实现了什么？带来了怎样的便利？

笔者先提出一点：多线程与优先级带来的实时性

RTOS将应用程序划分为多个独立的任务，也就是多线程。多线程允许同时执行多个任务，提高系统的处理能力和效率。例如，在嵌入式系统中，一个线程可以处理传感器数据，另一个线程可以更新用户界面。

实时性的需求，要求RTOS必须在指定的时间内完成关键任务。

我们创建一个又一个的任务，知道这是一个又一个的线程，它们可以并行执行。设置优先级时，我们知道优先级高的任务会优先执行，从而满足实时性。当我们想让任务同时且更有主次地执行时，我们第一个想到的就是使用RTOS。那么，强大的实时性与同时执行的任务，这就是我们想要实现的结果！但是，我们该如何去实现它呢？

如何实现实时性？

请读者想一想，我们创建任务设置优先级时，往往希望某些任务被优先执行，这是实时性实现的关键，也就是说，会有一个调度器来选择高优先级的任务，因此，我们得到了两个对象：任务和调度器。
优先级依次递减调度器_选择当前优先级最高的任务执行任务1 就绪列表存放任务任务2 任务3 任务4

调度器对象

通过上图我们可以推断，调度器会选择就绪列表中优先级高的任务。同时，就绪列表经常会发生变化，当优先级最高的任务发生变化，那么调度器还要切换任务，因此，我们得到了下图：
调度器初始化选择优先级最高的任务启动切换任务

切换任务

切换任务时，我们肯定不希望先前任务的状态丢失，因此需要保存任务状态。线程（任务）切换如下：

1.保存之前运行的线程的上下文

2.选择优先级高的任务

3.调用准备运行的线程的上下文

因此有了下图：
调度器初始化启动切换任务保存任务状态选择优先级最高的任务切换到下一个任务

保存任务状态，这部分就涉及到和任务对象的交互了。

任务对象

为了方便管理任务，比如设置优先级啥的，我们肯定需要一个任务控制块，也方便我们把任务挂载到就绪列表中。同时，我们要保存当前状态，也就是说我们需要内存，那么这段内存我们给它命名为栈。
任务任务控制块任务栈

任务控制块

一个任务需要记录任务栈的信息，也就是pxTopOfStack（栈顶）、pxStack（栈起始地址）、self_stack（栈对象）这三个结构体。为了实时性，我们还需要优先级。

把图进一步展开：
任务任务控制块任务栈栈顶栈起始地址栈对象优先级

现在，我们关键的数据结构已经出来了，请读者写下这些代码,pxCurrentTCB就是当前执行的优先级最高的任务了：

复制代码

sparrow.c

Class(TCB_t)
{
    volatile uint32_t * pxTopOfStack;
    unsigned long uxPriority;
    uint32_t * pxStack;
    Stack_register *self_stack;
};
typedef  TCB_t         *TaskHandle_t;

__attribute__( ( used ) )  TCB_t * volatile pxCurrentTCB = NULL;
typedef void (* TaskFunction_t)( void * );

栈对象

对于栈对象，我们要保存先前的任务状态，方便下一次任务执行时取出当前任务状态到CPU中，那么任务状态是CPU中的哪些信息呢？答案是寄存器：

以及XPSR，它是非常重要的特殊寄存器：

寄存器包括两部分寄存器，一部分是发生中断时硬件自动帮我们保存的寄存器，另一部分是需要我们手动保存的寄存器。

因此继续展开我们的图：
任务任务控制块任务栈寄存器自动保存的寄存器手动保存的寄存器栈顶栈起始地址栈对象优先级

因此让我们写下代码：