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导言

有时常关注我博客的朋友知道，去年我自己开发过一个很简单的微内核 Totoro，目前已经暂时停止更新。从开发到能真正运行花了一两个月的时间，当然都是我在业余时间做的啦。还记得当时那种兴奋的心情，可能跟 Linux 的最初开发者 Linus 差不多，有兴趣可以看这篇文章 Linux – a free unix-386 kernel 。

当然了，水平毕竟不是一个层次的。不过今天，我想把如何开发这样一个简单的内核给记录下来，一来是让有兴趣的后来者可以很快的摸到门路，二来是做一个阶段性的总结，再来就是看看自己还有没有兴致继续把它做得更好，毕竟现在漏洞百出，也不可能给别人拿去用。总的来说，出来做了三年的软件开发，没做过什么高端的有难度的东西，这样一个作品让我自己还是比较开心的！

关于单线程

从单片机（又称单板机）玩过来的同学应该知道，我们刚开始写代码的时候，几乎都是裸奔在处理器上的。写个流水灯，点亮数码管，高端点的来个串口打印。这对刚接触的同学其实就有很多东西可以学了。但是人也总不会一直停步不前，写了太多的单线程代码的菜鸟开始思考，多线程到底多了什么了呀？说到这其实我很想笑，假如你去问一问那些入门语言是 Java，Python 的同学，他们一定会说，多线程有什么了不起啊！对呀，对这些这些高级语言来说，多线程？开玩笑，随便调个接口，要几十个线程，甚至几百个，分分钟给你造好了。在这些人眼里，这个东西，没什么了不起。但对于出身即低端又比较吝啬的嵌入式的同学们来说，这个多线程词汇，却魔咒般的充满了太多的神秘感。那么多线程到底指的是什么？我们不去讨论太复杂的东西，不去讨论进程空间，虚拟内存等等高端神秘的词汇。我们只关注上下文环境。这个对于容易满足的嵌入式开发者来说，已经很知足了。时常感慨，是不是嵌入式开发做久了，人也会对自己变吝啬。

上下文环境

上下文（Context）环境，指的是这个线程运行时的一些状态，比如局部变量的值，寄存器里保存的值，比如，PC 指针指向那里，代表程序即将运行到那里，SP 指针，记录了调用信息，LR 记录了回去的路（返回地址）等等。那么要实现这个多线程我们需要做些什么？

保存上下文。我们在做线程调度的时候，将当前线程的上下文环境保存在那个线程申请的“栈”内存里（其实就是一个大数组）。然后通过一系列的底层操作，将要被调度的线程唤出来。其实也就是把之前保存的上下文从内存里读到寄存器上啦，只不过这个过程需要一些技巧，我们会在代码解析里面讲到。其实多线程就是这样的啦，那么我的这篇文章是不是该完结了？不尽然，我们要做到微内核的基本功能，那还得有调度器呀。

傻逼式调度器

我们要实现这样一个调度器。对于平级线程，也就是优先级一样的应用线程，我们会去分片（Time-sharing）执行它们。对于高优先级应用线程，我们会义无反顾的一直执行它，直到它愿意自己挂起。我觉得这是最自然的调度器，因为优先级既然高，那么也就得优先执行。当然，也是很傻逼的调度器啦。我们现在的目标是，保持一切尽量的简单。这样才有兴趣继续干下去嘛。这样约定好了以后，我们开辟了两个队列，一个用于保存处于准备态的线程，一个用于保存挂起的线程。而当前运行的进程会由一个 current 任务结构体指针来标记。所以一个任务执行完之后会有两种状态，一个是挂起，一个是再次处于准备状态。这样我们就需要一个链表接口模块。

基础数据结构

我们用单链表结构来实现这两个队列。

include/totoro/taskq.h

struct tasklist {
	struct ttr_tcb *tcb;
	struct tasklist *next;
};

实现单链表的几个接口：

static struct tasklist *migrate(struct ttr_tcb *tcb,
                        struct tasklist **src,
                        struct tasklist **dst)

这个接口做任务迁移，将挂起任务迁移到准备态或者反过来。注意到，我们采用了二级指针来管理这个单链表，这样可以省掉很多不必要的条件判断。

static void insert(struct tasklist *node, struct tasklist **list);

这个接口用于插入任务之用。

extern ttr_err_t task_enqueue(struct ttr_tcb *tcb);

这个接口用于注册任务之用。

extern struct ttr_tcb *task_next(void);

这个接口用于提取下一个要运行的任务。

extern void task_init(void);

猜猜这是干嘛的。

任务结构

include/totoro/taskq.h

/* definition for Task(Thread) Control Block */
struct ttr_tcb
{
	/* stack pointer */
	volatile void *sp;
	/* current state of the thread */
	uint8_t stat;
	/* priority of the thread */
	uint8_t prior;
	/* thread's stack size */
	uint32_t stack_size;
	/* thread's stack */
	void *stack;
	/* thread function */
	void (*ttr_thread)(void);
};

看到这里，聪明的同学一定能看到了，我都帮你们注释好了每个成员的作用，因此也不赘述，大家如果看了代码应该不难发现，大部分关键的地方都 加上了注释。

任务优先级

include/totoro/taskq.h

#define TASK_HIGHEST_PRIORITY  ( 0 )
#define TASK_LOWEST_PRIORITY   (255)
#define TASK_DEFAULT_PRIORITY  ( 1 )

我们提供给应用程序一个默认优先级，这样用户就不需要做太多纠结了。

任务状态

include/totoro/taskq.h

#define TASK_SUSPENDED  ( 0 )
#define TASK_READY      ( 1 )
#define TASK_RUNNING    ( 2 )

任务内存申请

kernel/taskq.c

#define MALLOC_TASK_NODE(node, _tcb) \
	((node = (struct tasklist *)malloc(sizeof(struct tasklist))), \
	(!!node ? (node->tcb = _tcb, TTR_ERR_OK) : TTR_ERR_MEM))

#define DELETE_TASK_NODE(node) \
	if (node) { \
		free(node); \
		node->tcb = NULL; \
		node = NULL; \
	}

对的，我们实现了两个漂亮的宏来做任务结构体内存申请和释放，史上最小的 MM。

线程切换

是不是很紧张，终于来到破解魔咒的关键点。COME WITH ME!

arch/cortex-m0/gcc/port.S

    cpsid     i
    mrs       r0, psp
    subs      r0, #32
    stmia     r0!, {r4 - r11}
    subs      r0, #32

    ldr       r2, =ttr_running_task         
    ldr       r1, [r2]
    str       r0, [r1]

    ldr       r1, =ttr_running_task
    ldr       r2, =ttr_next_task
    ldr       r3, [r2]
    str       r3, [r1]

    ldr       r2, =ttr_next_task                
    ldr       r1, [r2]
    ldr       r0, [r1]

    ldmia     r0!, {r4 - r11}
    msr       psp, r0

    ldr       r0, =0xfffffffd
    cpsie     i
    bx        r0

这份代码是从 GCC 分支拷贝下来的，没有一行注释，大家可以去看 ARM 分支里面的同一个文件，写全了注释，我这个人很懒，不喜欢写太多注释。

1，关全局中断，保存程序栈指针，调整栈指针，保存当前线程的寄存器值;

2，保存当前运行线程的任务指针;

3，加载即将运行线程的任务指针;

4，加载即将运行线程的上下文环境;

5，恢复程序栈指针;

6，开全局中断,返回调用处;

驱动接口

drivers/clock, drivers/gpio, drivers/serial

Totoro 提供了 Clock, GPIO, Serial 底层驱动的框架与实现。参见代码。

信号量

等等，一个内核最基本的东西是什么？很明显，它需要线程切换，肯定也要一个线程同步机制啦。我们根据 POSIX 规范的接口实现了这样一个模块。

include/totoro/sem.h

extern int sem_signal(sem_t *sem);
extern int sem_wait(sem_t *sem, uint32_t timeout);

互斥锁

include/totoro/simplelock.h

#define simplelock_get()
#define simplelock_put()

Softirq

include/totoro/softirq.h

kernel/softirq.c

当然了，为了提供 Bottom Half 机制，用于提供用户定时任务，耗时任务，中断延迟处理我们加入了软中断模块。目前是用一个高优先级的内核线程实现，用一个简单的超时机制实现用户任务之间的均衡处理。

3 Test Cases

test/ab.c

test/sem.c

test/sirq.c

大家看名字就知道干嘛用的。我们也不再贴代码了，要玩就自己去看了。好的，整个微内核玩下来就是这么个流程。说简单也很简单，但要一步一步自 己做起来，还是需要花时间，耐心。我们现在只注重优雅的实现，简单，漂亮。

感悟

终于来到了个人时间了，大家有这样的感觉吗，看自己以前写的代码，竟然感觉很美妙。特别是用 plain text 模式浏览的时候，我仿佛在查阅某 上世纪大神写出来的神作。呵呵，开个玩笑。好了，这篇文章差不多就这样了，未来会怎样，我暂时也没什么想法。