本章开始多任务的设计。

一多任务的说明

多任务（multitask），指的是操作系统中，多个应用程序同时运行的状态。然而，对于单核CPU来说，同一个瞬间只能处理一个事情，不能做到左右互搏、一心二用的效果，那只能通过快速切换运行任务，来实现这种所谓的多任务状态：

在一般的操作系统中，这个切换动作每0.01-0.03秒进行一次（这样CPU大概只有1%的处理能力消耗在任务切换上，可以忽略不计）。这个切换时间不能太慢（会让人感觉到程序卡顿）、也不能太快（消耗CPU的处理能力，功夫都花在切换上面，没时间处理正事了）。

二实现任务切换

实现任务的切换，有两个步骤：

（1）将TASK1有关寄存器的值写入到内存中；

（2）将运行TASK2需要的值从内存中读出到寄存器中；

每个任务包含的状态可以归纳为“任务状态段”（Task Status Segment，简称TSS）结构体中：

struct TSS32 {int backlink, esp0, ss0, esp1, ss1, esp2, ss2, cr3;         /* 与任务设置有关的信息 */int eip, eflags, eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi; /* 32位寄存器 */int es, cs, ss, ds, fs, gs;                                /* 16位寄存器 */int ldtr, iomap;                                        /* 与任务设置有关的信息 */
};

TSS总计包含26个int成员（104字节），成员的内容主要是一些寄存器，具体可以参考【操作系统】CPU寄存器详解，这边主要关注一下eip指令寄存器（指令寄存器可以说是CPU中最最重要的寄存器了，它指向了下一条要执行的指令所存放的地址，CPU的工作其实就是不断取出它指向的指令，然后执行这条指令，同时指令寄存器继续指向下面一条指令，如此不断重复，这就是CPU工作的基本日常）

对指令寄存器赋值（MOV EIP,0x1234），就相当于0x1234地址的指令，也就类似于汇编中的JMP 0x1234实现的效果。对任务实现切换，本质上就是从一个指令执行地址跳转到另一个指令的执行地址，这边还得用JMP指令，JMP指令又分为两种模式（near模式、far模式）：
（1）near 模式，只改写 EIP（指令寄存器）
（2）far 模式，同时改写 EIP（指令寄存器）和 CS（代码段寄存器）

如果一条 JMP 指令所指定的目标地段不是可执行的代码，而是 TSS 的话，CPU 就不会执行通常的改写 EIP 和 CS 操作，而是将这条指令理解为任务切换，换句话说，TSS 里面就是用来执行任务切换的代码。

根据上面的思路，按照下面的步骤就可以进行任务切换了：

【1】首先创建两个TSS：任务A的TSS和任务B的TSS。

struct TSS32 tss_a, tss_b;

【2】向他们的ldtr和iomap赋值：

tss_a.ldtr = 0;
tss_a.iomap = 0x40000000;
tss_b.ldtr = 0;
tss_b.iomap = 0x40000000;

【3】将他们两个在GDT中注册（这边可以参考一下【操作系统】30天自制操作系统--(4)显示字体(汉字)以及GDT/IDT中对于段1和段2的GDT注册）：

struct SEGMENT_DESCRIPTOR *gdt = (struct SEGMENT_DESCRIPTOR *) ADR_GDT;
#define AR_TSS32        0x0089set_segmdesc(gdt + 3, 103, (int) &tss_a, AR_TSS32);//段号3，基地址&tss_a，段长104-1
set_segmdesc(gdt + 4, 103, (int) &tss_b, AR_TSS32);//段号4，基地址&tss_b，段长104-1

【4】赋值TR寄存器（任务寄存器，存储当前正在运行哪一个任务），对它的赋值必须把GDT的编号乘以8，且对TR寄存器的操作必须在汇编的层面完成：

_load_tr:        ; void load_tr(int tr)LTR       [ESP+4]RET

【5】光改变TR的值还不能任务切换，必须执行far模式的跳转指令才行：

; 跳转到段3（任务b-->任务a）
_taskswitch3:   ; void taskswitch3(void);JMP        3*8:0RET; 跳转到段4（任务a-->任务b）
_taskswitch4:   ; void taskswitch4(void);JMP        4*8:0RET

【6】上面完成了从tss_a、tss_b的注册和跳转，这边还需要准备一下tss_b的初始化和执行程序，不然跳转到一个空地址上也不顶用：

初始化如下：

int task_b_esp;task_b_esp = memman_alloc_4k(memman, 64 * 1024) + 64 * 1024;  //为任务b定义新栈//初始化任务b的寄存器
tss_b.eip = (int) &task_b_main;
tss_b.eflags = 0x00000202; //IF = 1;
tss_b.eax = 0;
tss_b.ecx = 0;
tss_b.edx = 0;
tss_b.ebx = 0;
tss_b.esp = task_b_esp;  //栈指针寄存器
tss_b.ebp = 0;
tss_b.esi = 0;
tss_b.edi = 0;
tss_b.es = 1 * 8;
tss_b.cs = 2 * 8;        //代码段寄存器
tss_b.ss = 1 * 8;
tss_b.ds = 1 * 8;
tss_b.fs = 1 * 8;
tss_b.gs = 1 * 8;

任务b的执行操作如下（定时5s之后，返回任务a）：

void task_b_main(void) {struct FIFO32 fifo;struct TIMER *timer;int i, fifobuf[128];fifo_init(&fifo, 128, fifobuf);timer = timer_alloc();timer_init(timer, &fifo, 1);// 设置超时时间为 5 秒timer_settime(timer, 500);for(;;) {io_hlt();if (fifo32_status(&fifo) == 0) {io_sti();io_hlt();} else {i = fifo32_get(&fifo);io_sti();if (i == 1) {// 返回任务 3taskswitch3();}}}
}

【7】主函数中10s超时缓存处理中执行跳转（任务a---->任务b），实现10s之后跳转任务b：

/* 中略 */
else if (i == 10) { putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 64, COL8_FFFFFF, COL8_008484, "10[sec]", 7);taskswitch4();  //切换段4（任务a-->任务b）
}
/* 中略 */

综上，便实现了一个简单的多任务操作，程序运行10s之后光标停止闪烁、鼠标键盘也失效—（任务a---->任务b成功！）。再隔了5s之后，光标恢复正常，刚鼠标键盘没反应的时候存进缓存的数据也一股脑全部冒了出来（任务b---->任务a成功！）。

三多任务操作优化

【1】优化点一：重写一个farjump函数来替代原来的taskswitch3、taskswitch4：

_farjump:        ; void farjump(int eip, int cs);JMP     FAR [ESP + 4]      ; eip, csRET

同时在任务a和任务b中，分别准备一个timer变量叫做timer_ts(task switch)，以便每隔 0.02s 切换一次：

/* HariMain */
if (i == 2) {farjmp(0, 4 * 8);// 任务返回之后，都将计时器设定为 0.02s 之后timer_settime(timer_ts, 2);
}/* task_b_main */
if (i == 1) { // task switchfarjmp(0, 3 * 8);timer_settime(timer_ts, 2);
}

【2】任务b中增加打印来显示确实任务切换了过来：

/* HariMain 中使用 0x0fec 这个地址将 sht_back 这个变量传给任务 B */
*((int *) 0x0fec) = (int) sht_back;/* task_b_main */
sht_back = (struct SHEET *) *((int *) 0x0fec);
// ...
for (;;) {count++;sprintf(s, "%10d", count);putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 144, COL8_FFFFFF, COL8_008484, s, 10);// ...
}

【3】上面任务b的操作，每计一个数都会打印，这个伴随有操作内存的操作，过于频繁地执行会是程序变慢，处理办法是设置定时器，达到超时才会执行打印：

void task_b_main(struct SHEET *sht_back) {struct FIFO32 fifo;struct TIMER *timer_ts, *timer_put;int i, fifobuf[128], count = 0;char s[12];fifo32_init(&fifo, 128, fifobuf);timer_ts = timer_alloc();timer_init(timer_ts, &fifo, 2);timer_settime(timer_ts, 2);timer_put = timer_alloc();timer_init(timer_put, &fifo, 1);// every 0.01stimer_settime(timer_put, 1);for (;;) {count++;io_cli();if (fifo32_status(&fifo) == 0) {io_sti();} else {i = fifo32_get(&fifo);io_sti();if (i == 1) { sprintf(s, "%11d", count);putfonts8_asc_sht(sht_back, 0, 144, COL8_FFFFFF, COL8_008484, s, 11);timer_settime(timer_put, 1);} else {if (i == 2) {farjmp(0, 3 * 8);timer_settime(timer_ts, 2);}}}}
}

四多任务操作进阶

截至目前，多任务的一些基本的切换操作已经具备，但是设想一下这个场景，比如说程序切换到任务b，但在任务b运行的过程中程序挂死，那么任务b就不会切换回其他的任务，这样单个任务异常，会使得整个程序挂死，这样会影响到程序的稳定性。

解决办法是，将跳转的逻辑封装之后从HariMain与task_b_main中抽离出来，放到定时器中断inthandler20中（关于该中断的描述参考【操作系统】30天自制操作系统--(11)定时器1），定时器中断中检查是否是多任务定时器，如果是，则直接进行切换，这样就避免了各个子任务异常对于程序整体的影响：

【1】封装子任务切换逻辑 mt_taskswitch：

#include"bootpack.h"struct TIMER *mt_timer;
int mt_tr;void mt_init(void){mt_timer = timer_alloc();// 没必要加上 timer_init() 是因为超时时不需要向 FIFO 写数据timer_settime(mt_timer, 2);mt_tr = 3 * 8;                //初始化为子任务areturn;
}void mt_taskswitch(void){if (mt_tr == 3 * 8) {mt_tr = 4 * 8;} else {mt_tr = 3 * 8;}timer_settime(mt_timer, 2);farjmp(0, mt_tr);               //切换到另一个子任务中return;
}

【2】定时器中断 inthandler20 中调用 mt_taskswitch（这边在中断的尾巴调用的原因在于：调用 mt_taskswitch() 进行任务切换的时候，即便中断处理还没有完成，IF(interrupt flag) 也有可能被重置为 1 (因为任务切换时同时也会切换 EFLAGS)，而中断处理还没完成的时候产生中断显然是不允许的）：

void inthandler20(int *esp){// 把IRQ-00接收信号结束的信息通知给PIC io_out8(PIC0_OCW2, 0x60);  timerctl.count++;if (timerctl.next > timerctl.count) {return;}struct TIMER *timer = timerctl.t0;char ts = 0;while (1) {// timers的计时器全部在工作中，因此不用确认flags if (timer->timeout > timerctl.count) {break;}timer->flags = TIMER_FLAGS_ALLOC;if (timer != mt_timer) {fifo32_put(timer->fifo, timer->data);  //(1)不是mt_timer就往缓存中写数据} else {ts = 1;                                //(2)是mt_timer就是达了切换的时候}timer = timer->next;} timerctl.t0 = timer;// fucking irritating ...timerctl.next = timer->timeout;if (ts != 0) {mt_taskswitch();    //子任务切换}return;
}

【操作系统】30天自制操作系统--(14)多任务1相关推荐

《30天自制操作系统》笔记(04)——显示器256色
<30天自制操作系统>笔记(04)--显示器256色进度回顾从最开始的(01)篇到上一篇为止,已经解决了开发环境问题和OS项目的顶层设计问题. 本篇做一个小练习:设置显卡显示256色. ...
索骥馆－DIY操作系统之《30天自制操作系统》扫描版[PDF]
内容简介: <30天自制操作系统>是一本兼具趣味性.实用性与学习性的操作系统图书.作者从计算机的构造.汇编语言.C语言开始解说,让读者在实践中掌握算法.在这本书的指导下,从零编写所有代码, ...
为什么《30天自制操作系统》封面中的猫是两只尾巴
刚刚在一社区,发了一贴,被指出一问题,询一高人,得一答案.这便是我没有关注到的封面上的那只猫,我想这也是很多读者没有关注到的.因为在我微博的200转发贴中,并没有人提到封面中的猫为何有两只尾巴.于是咨 ...
《30天自制操作系统》笔记(01)——hello bitzhuwei’s OS!
<30天自制操作系统>笔记(01)--hello bitzhuwei's OS! 最初的OS代码 1 ; hello-os 2 ; TAB=4 3 4 ORG 0x7c00 ; 指明程序的 ...
写在《30天自制操作系统》上市之前
这本<30天自制操作系统>马上就要在各大书店和网上商城全面上架了,作为本书的4位译者之一,我负责翻译了本书约三分之二的内容.这是我参与翻译的第一本译著,我感到很激动也很紧张,因为我知 ...
《30天自制操作系统》笔记(09)——绘制窗口
<30天自制操作系统>笔记(09)--绘制窗口进度回顾上一篇中介绍了图层式窗口管理的思路和算法.在此基础上,本篇就解决绘制窗口及其简单的优化问题. 这里稍微吐槽一下<30天自制操 ...
发布在《30天自制操作系统》之前的帮助阅读贴
说明:这是8月15日即将上市的一本新书,本文的摘选也可以命名为<30天自制操作系统>上市之前必读.本书幽默,有趣,可以说是技术书里的幽默书,让您读起来绝对不会感到乏味.在本书上市之前,您一 ...
《30天自制操作系统》学习笔记--第好多天
之前看<30天自制操作系统>,参考而成,和书中系统并不完全一致,是在原有基础上按照自己的习惯而成,由于水平和工作原因,未完成内存管理和文件系统,有兴趣者可以通过以下网址https://gi ...
由《30天自制操作系统》引发的漫画创作
大家可还记得<30天自制操作系统>的封面上的那只猫吗?记得当时,在果壳网有人问,为何这只猫长了两只尾巴呢,延着这条线,我把这本书捧上了展示的舞台.事隔四个多月,我又重提此书. 这本经我手宣 ...

【操作系统】30天自制操作系统--(14)多任务1

一多任务的说明

二实现任务切换

三多任务操作优化

四多任务操作进阶

【操作系统】30天自制操作系统--(14)多任务1相关推荐

最新文章

热门文章

【操作系统】30天自制操作系统--(14)多任务1

一 多任务的说明

二 实现任务切换

三 多任务操作优化

四 多任务操作进阶

【操作系统】30天自制操作系统--(14)多任务1相关推荐

最新文章

热门文章

一多任务的说明

二实现任务切换

三多任务操作优化

四多任务操作进阶