调度器 – Blanboom

Stanford CS140e 学习笔记 (4)：用户态程序的运行

Blanboom — Mon, 18 Jun 2018 08:48:37 +0000

Assignment 3 的主要目标，是使自己的操作系统能够运行用户态程序。这个 Assignment 中，需要实现特权级别切换、上下文切换、调度器、系统调用处理、虚拟内存等代码。并将之前实现的 shell 移动至用户态，做为一个进程来运行。

文章目录：

ARM 架构基础知识学习

Assignment 3 所实现的不少功能，都需要操作系统软件和 CPU 的配合。所以，在正式实验之前，需要了解 ARM 架构的基础知识。主要参考如下文档：

为了实现用户态和内核态之间的切换，首先需要关注异常和特权级别。原网页已经有较为详细的介绍。同时我又找了这样几篇文章用于加深理解。

同时也进行了指令集、寻址方式的简单学习。并阅读了 init.S 初始化程序。

异常与中断处理

切换到 EL1

AArch64 CPU 启动时，EL 级别位于 EL2. 正常情况下，OS 内核工作于 EL1，用户态程序工作于 EL0。所以需要在内核初始化时，将 EL 级别由 EL2 切换到 EL1.

异常向量

为了使内核能够处理终端和异常，需要设置异常向量。ARM 的向量表中有 16 个异常向量，每条向量可存放最多 16 条指令。为了更方便地处理异常，每条异常向量，都将调用 handle_exception 函数，并设置不同的参数，最终由 handle_exception 函数统一处理。

通过汇编代码调用 handle_exception 时，需要考虑传入参数，获取返回值。对于 AArch64，前 8 个参数依次传入到 r0..r7，函数调用完毕后，前 8 个返回值也从 r0..r7 中获取。另外，在调用函数前后，还需要保存和恢复各个寄存器中的值，这些寄存器分为 caller-saved 和 callee-saved，对于前者，如果 caller 需要在函数执行调用后继续使用寄存器中的内容，则需要主动将寄存器中的值保存在栈上，否则不需要保存；对于后者，由 callee 保证寄存器的值在函数调用后不发生变化。

在异常处理中，实现了一个 debug shell，方便后续进行调试。

上下文切换

进入异常后，寄存器的状态可能会被异常处理程序改变，导致从异常返回后，程序无法继续执行。所以进入异常、以及从异常返回时，需要分别保存、恢复各个寄存器的状态。这一过程称为「上下文切换」。

第一个进程

对于内核，需要为每个进程维护如下信息：

栈
堆
可执行代码
虚拟地址空间
调度器状态（进程是否需要被得到调度）
运行状态（寄存器等信息，方便上下文切换后进行恢复）

所以在代码中，通过定义一个名为 Process 的结构体，保存进程运行所需的信息。

然后将之前实现的 shell，修改为一个用户态 (EL0) 进程。由于未实现虚拟内存，这个进程除了运行在 EL0 之外，更像是一个内核线程。对于虚拟内存的部分，留在后面的课程中实现。

调度器

定时器中断

在 AArch64 上，中断其实和异常基本类似，知识中断往往由外部事件产生。我们需要做的，是修改之前完成的定时器驱动代码，设置 BCM2837 上的定时器，同时实现中断控制器驱动，使定时器能够正常产生中断。

定时器驱动代码的修改，和之前玩单片机时使用的方式类似。通过设置一个时间比较寄存器，当定时器中的时间与该寄存器的时间相等，则产生一个中断。通过这种方式，周期性地产生中断，做为内核的时钟使用。

中断控制器也需要经过设置，才能将定时器产生的中断送至 CPU。

round-robin 抢占式调度器

之前在单片机上实现过一个简单的非抢占式的调度器，这门课程中，需要实现另外一个。

调度器通过前面实现的定时器中断，来确定接下来要运行哪个进程。用于调度的算法有很多种，本课程中，主要实现简单的 round-robin 调度算法，为每个进程分配相同的时间片。

在这个操作系统中，调度器为进程有三种状态：Ready, Running, Waiting. 所有进程放在一个队列中，当前进程的时间片用尽，则将进程放入队列末尾，并取出一个新的进程。如果新的进程状态为 Ready, 则继续执行，如果为 Waiting，则直接放入队列末尾，并再取一个新的进程执行。

系统调用

接下来要实现第一个系统调用 sleep，告诉调度器制定时间内不对本进程进行调度。同时通过在 shell 中实现 sleep 命令，验证该系统调用是否能正常工作。

系统调用是一种特殊的异常，是用户态进程请求内核服务的一种方式。在 AArch64 中，通过 svc 指令来执行系统调用。

类似函数调用，在系统调用中，也需要传入参数，获取返回值。本课程中实现的系统调用中，将寄存器 x0..x6 用做传入参数与返回值，将 x7 用做错误码。

课程的剩余内容，CS140e 的网站上已经几个月没有更新了。这门课程的学习暂时告一段落，等课程更新后再继续。

扩展阅读

Inside the Linux boot process

[Arduino 库] 适用于 Arduino Uno 的多任务调度程序

Blanboom — Sat, 27 Jul 2013 01:45:32 +0000

一般情况下，处理 Arduino 的多个任务，是把所有任务放在 void loop() 里，然后用 delay() 控制时间。不过，任务一多，这种方法就不太方便了。

最近刚刚看了一本书：《时间触发嵌入式系统设计模式》，里面介绍的调度器，可以以特定的周期执行特定的任务，值得在 Arduinio 项目中借鉴。我也刚刚把这个调度器移植到 Arduino 中：https://github.com/blanboom/Arduino-Task-Scheduler

基本使用方法

这是一个使用调度器的例子，各个函数的功能都已在注释中标出：

// Arduino 任务调度器 演示程序
// Created by Blanboom
// 2013.7.27
// https://blanboom.org

#include "TaskScheduler.h"  //包含此头文件，才能使用调度器

// 用于储存 LED 状态
boolean g_led1State=1;
boolean g_led2State=0;

void setup()
{
    // 第12、13脚接有 LED
    pinMode(13,OUTPUT);
    pinMode(12,OUTPUT);

    Sch.init(); //初始化调度器

    //向调度器中添加任务
    //第一个参数为要添加任务的函数名
    //第二个参数为任务第一次执行的时间，
    //    合理设置有利于防止任务重叠，有利以提高任务执行的精度
    //第三个参数是任务执行的周期
    //第二、三个参数的单位均为毫秒，也可配置定时器修改其单位
    //第四个参数代表任务是合作式还是抢占式
    //    一般取1就可以，更多用法请参考下文
    Sch.addTask(led1Update,0,1000,1);  //从第 0 毫秒开始闪烁 LED，每隔 1s, LED 状态改变一次
    Sch.addTask(led2Update,20,500,1);  //从第 20 毫秒开始闪烁 LED，每隔 0.5s, LED 状态改变一次

    Sch.start();//启动调度器
}

void loop()
{
    Sch.dispatchTasks();  // 执行被调度的任务，用调度器时放上这一句即可
}

// 把要调度的任务函数放下面

// 闪烁第 13 脚的 LED
void led1Update()
{
    if(g_led1State==0)
    {
        g_led1State=1;
        digitalWrite(13,HIGH);
    }
    else
    {
        g_led1State=0;
        digitalWrite(13,LOW);
    }
}

// 闪烁第 12 脚的 LED
void led2Update()
{
    if(g_led2State==0)
    {
        g_led2State=1;
        digitalWrite(12,HIGH);
    }
    else
    {
        g_led2State=0;
        digitalWrite(12,LOW);
    }
}

程序执行后，两个 LED 分别会以程序中指定的周期和时间闪烁。