想了很久，要不要写这篇文章？最后觉得对操作系统感兴趣的人还是很多，写吧。我不一定能造出玉，但我可以抛出砖。

　　包括我在内的很多人都对51使用操作系统呈悲观态度，因为51的片上资源太少。但对于很多要求不高的系统来说，使用操作系统可以使代码变得更直观，易于维护，所以在51上仍有操作系统的生存机会。

　　流行的uCos，Tiny51等，其实都不适合在2051这样的片子上用，占资源较多，唯有自已动手，以不变应万变，才能让51也有操作系统可用。这篇贴子的目的，是教会大家如何现场写一个OS，而不是给大家提供一个OS版本。提供的所有代码，也都是示例代码，所以不要因为它没什么功能就说LAJI之类的话。如果把功能写全了，一来估计你也不想看了，二来也失去灵活性没有价值了。

　　下面的贴一个示例出来，可以清楚的看到，OS本身只有不到10行源代码，编译后的目标代码60字节，任务切换消耗为20个机器周期。相比之下，KEIL内嵌的TINY51目标代码为800字节，切换消耗100~700周期。唯一不足之处是，每个任务要占用掉十几字节的堆栈，所以任务数不能太多，用在128B内存的51里有点难度，但对于52来说问题不大。这套代码在36M主频的STC12C4052上实测，切换任务仅需2uS.

　　#include

　　#define MAX_TASKS 2 //任务槽个数。必须和实际任务数一至

　　#define MAX_TASK_DEP 12 //最大栈深。最低不得少于2个，保守值为12.

　　unsigned char idata task_stack［MAX_TASKS］［MAX_TASK_DEP］; //任务堆栈。

　　unsigned char task_id; //当前活动任务号 //任务切换函数（任务调度器）

　　void task_switch（）{

　　task_sp［task_id］ = SP;

　　if（++task_id == MAX_TASKS）

　　task_id = 0;

　　SP = task_sp［task_id］;

　　} //任务装入函数。将指定的函数（参数1）装入指定（参数2）的任务槽中。如果该槽中原来就有任务，则原任务丢失，但系统本身不会发生错误。

　　void task_load（unsigned int fn， unsigned char tid）

　　{

　　task_sp［tid］ = task_stack［tid］ + 1;

　　task_stack［tid］［0］ = （unsigned int）fn & 0xff;

　　task_stack［tid］［1］ = （unsigned int）fn 》》 8;

　　}//从指定的任务开始运行任务调度。调用该宏后，将永不返回。

　　#define os_start（tid） {task_id = tid，SP = task_sp［tid］;return;}

　　/*======================以下为测试代码======================*/ void task1（）

　　{

　　static unsigned char i;

　　while（1）{

　　i++;

　　task_switch（）; //编译后在这里打上断点

　　}

　　} void task2（）

　　{

　　static unsigned char j;

　　while（1）{

　　j+=2;

　　task_switch（）; //编译后在这里打上断点

　　}

　　} void main（）

　　{

　　//这里装载了两个任务，因此在定义MAX_TASKS时也必须定义为2

　　task_load（task1， 0）; //将task1函数装入0号槽

　　task_load（task2， 1）; //将task2函数装入1号槽

　　os_start（0）;

　　}

　　这样一个简单的多任务系统虽然不能称得上真正的操作系统，但只要你了解了它的原理，就能轻易地将它扩展得非常强大，想知道要如何做吗？

　　一。什么是操作系统？

　　人脑比较容易接受“类比”这种表达方式，我就用“公交系统”来类比“操作系统”吧。

　　当我们要解决一个问题的时候，是用某种处理手段去完成它，这就是我们常说的“方法”，计算机里叫“程序”（有时候也可以叫它“算法”）。

　　以出行为例，当我们要从A地走到B地的时候，可以走着去，也可以飞着去，可以走直线，也可以绕弯路，只要能从A地到B地，都叫作方法。这种从A地到B的需求，相当于计算机里的“任务”，而实现从A地到B地的方法，叫作“任务处理流程”

　　很显然，这些走法中，并不是每种都合理，有些傻子都会采用的，有些是傻子都不采会用的。用计算机的话来说就是，有的任务处理流程好，有的任务处理流程好，有的处理流程差。

　　可以归纳出这么几种真正算得上方法的方法：

　　有些走法比较快速，适合于赶时间的人;有些走法比较省事，适合于懒人;有些走法比较便宜，适合于穷人。

　　用计算机的话说就是，有些省CPU，有些流程简单，有些对系统资源要求低。

　　现在我们可以看到一个问题：

　　如果全世界所有的资源给你一个人用（单任务独占全部资源），那最适合你需求的方法就是好方法。但事实上要外出的人很多，例如10个人（10个任务），却只有1辆车（1套资源），这叫作“资源争用”。

　　如果每个人都要使用最适合他需求的方法，那司机就只好给他们一人跑一趟了，而在任一时刻里，车上只有一个乘客。这叫作“顺序执行”，我们可以看到这种方法对系统资源的浪费是严重的。

　　如果我们没有法力将1台车变成10台车来送这10个人，就只好制定一些机制和约定，让1台车看起来像10台车，来解决这个问题的办法想必大家都知道，那就是制定公交线路。

　　最简单的办法是将所有旅客需要走的起点与终点串成一条线，车在这条线上开，乘客则自已决定上下车。这就是最简单的公交线路。它很差劲，但起码解决客人们对车争用。对应到计算机里，就是把所有任务的代码混在一起执行。

　　这样做既不优异雅，也没效率，于是司机想了个办法，把这些客户叫到一起商量，将所有客人出行的起点与终点罗列出来，统计这些线路的使用频度，然后制定出公交线路：有些路线可以合并起来成为一条线路，而那些不能合并的路线，则另行开辟行车车次，这叫作“任务定义”。另外，对于人多路线，车次排多点，时间上也优先安排，这叫作“任务优先级”。

　　经过这样的安排后，虽然仍只有一辆车，但运载能力却大多了。这套车次/路线的按排，就是一套“公交系统”。哈，知道什么叫操作系统了吧？它也就是这么样的一种约定。

　　操作系统：

　　我们先回过头归纳一下：

　　汽车 系统资源。主要指的是CPU，当然还有其它，比如内存，定时器，中断源等。

　　客户出行 任务

　　正在走的路线 进程

　　一个一个的运送旅客 顺序执行

　　同时运送所有旅客 多任务并行

　　按不同的使用频度制定路线并优先跑较繁忙的路线 任务优先级

　　计算机内有各种资源，单从硬件上说，就有CPU，内存，定时器，中断源，I/O端口等。而且还会派生出来很多软件资源，例如消息池。

　　操作系统的存在，就是为了让这些资源能被合理地分配。

　　最后我们来总结一下，所谓操作系统，以我们目前权宜的理解就是：为“解决计算机资源争用而制定出的一种约定”。

　　二.51上的操作系统

　　对于一个操作系统来说，最重要的莫过于并行多任务。在这里要澄清一下，不要拿当年的DOS来说事，时代不同了。况且当年IBM和小比尔着急将PC搬上市，所以才抄袭PLM（好象是叫这个名吧？记不太清）搞了个今天看来很“粗制滥造”的DOS出来。看看当时真正的操作系统---UNIX，它还在纸上时就已经是多任务的了。

　　对于我们PC来说，要实现多任务并不是什么问题，但换到MCU却很头痛：

　　1.系统资源少

　　在PC上，CPU主频以G为单位，内存以GB为单位，而MCU的主频通常只有十几M，内存则是Byts.在这么少的资源上同时运行多个任务，就意味着操作系统必须尽可能的少占用硬件资源。

　　2.任务实时性要求高

　　PC并不需要太关心实时性，因为PC上几乎所有的实时任务都被专门的硬件所接管，例如所有的声卡网卡显示上都内置有DSP以及大量的缓存.CPU只需坐在那里指手划脚告诉这些板卡如何应付实时信息就行了。

　　而MCU不同，实时信息是靠CPU来处理的，缓存也非常有限，甚至没有缓存。一旦信息到达，CPU必须在极短的时间内响应，否则信息就会丢失。

　　就拿串口通信来举例，在标准的PC架构里，巨大的内存允许将信息保存足够长的时间。而对于MCU来说内存有限，例如51仅有128字节内存，还要扣除掉寄存器组占用掉的8~32个字节，所以通常都仅用几个字节来缓冲。当然，你可以将数据的接收与处理的过程合并，但对于一个操作系统来说，不推荐这么做。

　　假定以115200bps通信速率向MCU传数据，则每个字节的传送时间约为9uS，假定缓存为8字节，则串口处理任务必须在70uS内响应。

　　这两个问题都指向了同一种解决思路：操作系统必须轻量轻量再轻量，最好是不占资源（那当然是做梦啦）。

　　可用于MCU的操作系统很多，但适合51（这里的51专指无扩展内存的51）几乎没有。前阵子见过一个“圈圈操作系统”，那是我所见过的操作系统里最轻量的，但仍有改进的余地。

　　很多人认为，51根本不适合使用操作系统。其实我对这种说法并不完全接受，否则也没有这篇文章了。

　　我的看法是，51不适合采用“通用操作系统”。所谓通用操作系统就是，不论你是什么样的应用需求，也不管你用什么芯片，只要你是51，通通用同一个操作系统。

　　这种想法对于PC来说没问题，对于嵌入式来说也不错，对AVR来说还凑合，而对于51这种“贫穷型”的MCU来说，不行。

　　怎样行？量体裁衣，现场根据需求构建一个操作系统出来！

　　看到这里，估计很多人要翻白眼了，大体上两种：

　　1.操作系统那么复杂，说造就造，当自已是神了？

　　2.操作系统那么复杂，现场造一个会不会出BUG？

　　哈哈，看清楚了？问题出在“复杂”上面，如果操作系统不复杂，问题不就解决了？

　　事实上，很多人对操作系统的理解是片面的，操作系统不一定要做得很复杂很全面，就算仅个多任务并行管理能力，你也可以称它操作系统。

　　只要你对多任务并行的原理有所了解，就不难现场写一个出来，而一旦你做到了这一点，为各任务间安排通信约定，使之发展成一个为你的应用系统量身定做的操作系统也就不难了。

　　为了加深对操作系统的理解，可以看一看《《演变》》这份PPT，让你充分了解一个并行多任务是如何一步步从顺序流程演变过来的。里面还提到了很多人都在用的“状态机”，你会发现操作系统跟状态机从原理上其实是多么相似。会用状态机写程序，都能写出操作系统。

　　三file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.gif

　　我的第一个操作系统

　　直接进入主题，先贴一个操作系统的示范出来。大家可以看到，原来操作系统可以做得么简单。

　　当然，这里要申明一下，这玩意儿其实算不上真正的操作系统，它除了并行多任务并行外根本没有别的功能。但凡事都从简单开始，搞懂了它，就能根据应用需求，将它扩展成一个真正的操作系统。

　　好了，代码来了。

　　将下面的代码直接放到KEIL里编译，在每个task？（）函数的“task_switch（）;”那里打上断点，就可以看到它们的确是“同时”在执行的。

　　#include

　　#define MAX_TASKS 2 //任务槽个数。必须和实际任务数一至

　　#define MAX_TASK_DEP 12 //最大栈深。最低不得少于2个，保守值为12.

　　unsigned char idata task_stack［MAX_TASKS］［MAX_TASK_DEP］;//任务堆栈。

　　unsigned char task_id; //当前活动任务号

　　//任务切换函数（任务调度器）

　　void task_switch（）

　　{

　　task_sp［task_id］ = SP;

　　if（++task_id == MAX_TASKS）

　　task_id = 0;

　　SP = task_sp［task_id］;

　　}

　　//任务装入函数。将指定的函数（参数1）装入指定（参数2）的任务槽中。如果该槽中原来就有任务，则原任务丢失，但系统本身不会发生错误。

　　void task_load（unsigned int fn， unsigned char tid）

　　{

　　task_sp［tid］ = task_stack［tid］ + 1;

　　task_stack［tid］［0］ = （unsigned int）fn & 0xff;

　　task_stack［tid］［1］ = （unsigned int）fn 》》 8;

　　}

　　//从指定的任务开始运行任务调度。调用该宏后，将永不返回。

　　#define os_start（tid） {task_id = tid，SP = task_sp［tid］;return;}

　　/*==================以下为测试代码=====================*/

　　void task1（）

　　{

　　static unsigned char i;

　　while（1）{

　　i++;

　　task_switch（）;//编译后在这里打上断点

　　}

　　}

　　void task2（）

　　{

　　static unsigned char j;

　　while（1）{

　　j+=2;

　　task_switch（）;//编译后在这里打上断点

　　}

　　}

　　void main（）

　　{

　　//这里装载了两个任务，因此在定义MAX_TASKS时也必须定义为2

　　task_load（task1， 0）;//将task1函数装入0号槽

　　task_load（task2， 1）;//将task2函数装入1号槽

　　os_start（0）;

　　}

　　限于篇幅我已经将代码作了简化，并删掉了大部分注释，大家可以直接下载源码包，里面完整的注解，并带KEIL工程文件，断点也打好了，直接按ctrl+f5就行了。

　　现在来看看这个多任务系统的原理：

　　这个多任务系统准确来说，叫作“协同式多任务”。

　　所谓“协同式”，指的是当一个任务持续运行而不释放资源时，其它任务是没有任何机会和方式获得运行机会，除非该任务主动释放CPU.

　　在本例里，释放CPU是靠task_switch（）来完成的.task_switch（）函数是一个很特殊的函数，我们可以称它为“任务切换器”。

　　要清楚任务是如何切换的，首先要回顾一下堆栈的相关知识。

　　有个很简单的问题，因为它太简单了，所以相信大家都没留意过：

　　我们知道，不论是CALL还是JMP，都是将当前的程序流打断，请问CALL和JMP的区别是什么？

　　你会说：CALL可以RET，JMP不行。没错，但原因是啥呢？为啥CALL过去的就可以用RET跳回来，JMP过去的就不能用RET来跳回呢？

　　很显然，CALL通过某种方法保存了打断前的某些信息，而在返回断点前执行的RET指令，就是用于取回这些信息。

　　不用多说，大家都知道，“某些信息”就是PC指针，而“某种方法”就是压栈。

　　很幸运，在51里，堆栈及堆栈指针都是可被任意修改的，只要你不怕死。那么假如在执行RET前将堆栈修改一下会如何？往下看：

　　当程序执行CALL后，在子程序里将堆栈刚才压入的断点地址清除掉，并将一个函数的地址压入，那么执行完RET后，程序就跳到这个函数去了。

　　事实上，只要我们在RET前将堆栈改掉，就能将程序跳到任务地方去，而不限于CALL里压入的地址。

　　重点来了。..。..

　　首先我们得为每个任务单独开一块内存，这块内存专用于作为对应的任务的堆栈，想将CPU交给哪个任务，只需将栈指针指向谁内存块就行了。

　　接下来我们构造一个这样的函数：

　　当任务调用该函数时，将当前的堆栈指针保存一个变量里，并换上另一个任务的堆栈指针。这就是任务调度器了。

　　OK了，现在我们只要正确的填充好这几个堆栈的原始内容，再调用这个函数，这个任务调度就能运行起来了。

　　那么这几个堆栈里的原始内容是哪里来的呢？这就是“任务装载”函数要干的事了。

　　在启动任务调度前将各个任务函数的入口地址放在上面所说的“任务专用的内存块”里就行了！对了，顺便说一下，这个“任务专用的内存块”叫作“私栈”，私栈的意思就是说，每个任务的堆栈都是私有的，每个任务都有一个自已的堆栈。

　　话都说到这份上了，相信大家也明白要怎么做了：

　　1.分配若干个内存块，每个内存块为若干字节：

　　这里所说的“若干个内存块”就是私栈，要想同时运行几少个任务就得分配多少块。而“每个子内存块若干字节”就是栈深。记住，每调一层子程序需要2字节。如果不考虑中断，4层调用深度，也就是8字节栈深应该差不多了。

　　unsigned char idata task_stack［MAX_TASKS］［MAX_TASK_DEP］

　　当然，还有件事不能忘，就是堆指针的保存处。不然光有堆栈怎么知道应该从哪个地址取数据啊

　　unsigned char idata task_sp［MAX_TASKS］

　　上面两项用于装任务信息的区域，我们给它个概念叫“任务槽”。有些人叫它“任务堆”，我觉得还是“槽”比较直观

　　对了，还有任务号。不然怎么知道当前运行的是哪个任务呢？

　　unsigned char task_id

　　当前运行存放在1号槽的任务时，这个值就是1，运行2号槽的任务时，这个值就是2.。..

　　2.构造任务调度函函数：

　　void task_switch（）

　　{

　　task_sp［task_id］ = SP; //保存当前任务的栈指针

　　if（++task_id == MAX_TASKS） //任务号切换到下一个任务

　　task_id = 0;

　　SP = task_sp［task_id］; //将系统的栈指针指向下个任务的私栈。

　　}

　　3.装载任务：

　　将各任务的函数地址的低字节和高字节分别入在

　　task_stack［任务号］［0］和task_stack［任务号］［1］中：

　　为了便于使用，写一个函数： task_load（函数名， 任务号）

　　void task_load（unsigned int fn， unsigned char tid）

　　{

　　task_sp［tid］ = task_stack［tid］ + 1;

　　task_stack［tid］［0］ = （unsigned int）fn & 0xff;

　　task_stack［tid］［1］ = （unsigned int）fn 》》 8;

　　}

　　4.启动任务调度器：

　　将栈指针指向任意一个任务的私栈，执行RET指令。注意，这可很有学问的哦，没玩过堆栈的人脑子有点转不弯：这一RET，RET到哪去了？嘿嘿，别忘了在RET前已经将堆栈指针指向一个函数的入口了。你别把RET看成RET，你把它看成是另一种类型的JMP就好理解了。

　　SP = task_sp［任务号］;

　　return;

　　做完这4件事后，任务“并行”执行就开始了。你可以象写普通函数一个写任务函数，只需（目前可以这么说）注意在适当的时候（例如以前调延时的地方）调用一下task_switch（），以让出CPU控制权给别的任务就行了。

　　最后说下效率问题。

　　这个多任务系统的开销是每次切换消耗20个机器周期（CALL和RET都算在内了），贵吗？不算贵，对于很多用状态机方式实现的多任务系统来说，其实效率还没这么高--- case switch和if（）可不像你想像中那么便宜。

　　关于内存的消耗我要说的是，当然不能否认这种多任务机制的确很占内存。但建议大家不要老盯着编译器下面的那行字“DATA = XXXbyte”。那个值没意义，堆栈没算进去。关于比较省内存多任务机制，我将来会说到。

　　概括来说，这个多任务系统适用于实时性要求较高而内存需求不大的应用场合，我在运行于36M主频的STC12C4052上实测了一把，切换一个任务不到3微秒。

　　下回我们讲讲用KEIL写多任务函数时要注意的事项。

　　下下回我们讲讲如何增强这个多任务系统，跑步进入操作系统时代。

　　四。用KEIL写多任务系统的技巧与注意事项

　　C51编译器很多，KEIL是其中比较流行的一种。我列出的所有例子都必须在KEIL中使用。为何？不是因为KEIL好所以用它（当然它的确很棒），而是因为这里面用到了KEIL的一些特性，如果换到其它编译器下，通过编译的倒不是问题，但运行起来可能是堆栈错位，上下文丢失等各种要命的错误，因为每种编译器的特性并不相同。所以在这里先说清楚这一点。

　　但是，我开头已经说了，这套帖子的主要目的是阐述原理，只要你能把这几个例子消化掉，那么也能够自已动手写出适合其它编译器的OS.

　　好了，说说KEIL的特性吧，先看下面的函数：

　　sbit sigl = P1^7;

　　void func1（）

　　{

　　register char data i;

　　i = 5;

　　do{

　　sigl = ！sigl;

　　}while（--i）;

　　}

　　你会说，这个函数没什么特别的嘛！呵呵，别着急，你将它编译了，然后展开汇编代码再看看：

　　193： void func1（）{

　　194： register char data i;

　　195： i = 5;

　　C:0x00C3 7F05 MOV R7，#0x05

　　196： do{

　　197： sigl = ！sigl;

　　C:0x00C5 B297 CPL sigl（0x90.7）

　　198： }while（--i）;

　　C:0x00C7 DFFC DJNZ R7，C:00C5

　　199： }

　　C:0x00C9 22 RET

　　看清楚了没？这个函数里用到了R7，却没有对R7进行保护！

　　有人会跳起来了：这有什么值得奇怪的，因为上层函数里没用到R7啊。呵呵，你说的没错，但只说对了一半：事实上，KEIL编译器里作了约定，在调子函数前会尽可能释放掉所有寄存器。通常性况下，除了中断函数外，其它函数里都可以任意修改所有寄存器而无需先压栈保护（其实并不是这样，但现在暂时这样认为，饭要一口一口吃嘛，我很快会说到的）。

　　这个特性有什么用呢？有！当我们调用任务切换函数时，要保护的对象里可以把所有的寄存器排除掉了，就是说，只需要保护堆栈即可！

　　现在我们回过头来看看之前例子里的任务切换函数：

　　void task_switch（）

　　{

　　task_sp［task_id］ = SP; //保存当前任务的栈指针

　　if（++task_id == MAX_TASKS） //任务号切换到下一个任务

　　task_id = 0;

　　SP = task_sp［task_id］; //将系统的栈指针指向下个任务的私栈。

　　}

　　看到没，一个寄存器也没保护，展开汇编看看，的确没保护寄存器。

　　好了，现在要给大家泼冷水了，看下面两个函数：

　　void func1（）

　　{

　　register char data i;

　　i = 5;

　　do{

　　sigl = ！sigl;

　　}while（--i）;

　　}

　　void func2（）

　　{

　　register char data i;

　　i = 5;

　　do{

　　func1（）;

　　}while（--i）;

　　}

　　父函数fun2（）里调用func1（），展开汇编代码看看：

　　193： void func1（）{

　　194： register char data i;

　　195： i = 5;

　　C:0x00C3 7F05 MOV R7，#0x05

　　196： do{

　　197： sigl = ！sigl;

　　C:0x00C5 B297 CPL sigl（0x90.7）

　　198： }while（--i）;

　　C:0x00C7 DFFC DJNZ R7，C:00C5

　　199： }

　　C:0x00C9 22 RET

　　200： void func2（）{