基于ＰＣ體系結構的嵌入式操作系統實現

羅　斌

【摘要】文章介紹了一個基于PC體系結構的嵌入式操作系統，從CPU的16位實模式切換到32位保護模式，包括中斷控制器、系統時鐘等在內的系統硬件初始化過程，全局描述符表、中斷描述符表等內核運行環境的建立，進程的定義以及調度算法，進程切換方面介紹了一個具備基本功能的嵌入式操作系統。

【關鍵詞】PC；嵌入式操作系統；CPU保護模式

當前，嵌入式操作系統已經獲得非常廣泛的應用，涉及的領域包括通信、軍事、航空航天、以及生活等方方面面。目前市場上比較有名且占有一定市場分額的操作系統有VxWork、uLinux、uC/OS-II、eCos等，他們有各自的優點，VxWork經過了長時間的發展和實際應用的考驗，在關鍵應用領域仍是一支獨秀。uLinux則可以利用廣泛的Linux資源，便于開發等等。

由于操作系統的基本功能是硬件無關的，因此這部分可以使用C語言進行開發，而平臺相關的部分只需要使用匯編語言，但是只要設計好代碼框架，就可以做到方便移植。選擇了PC作為最初的目標平臺，是因為x86體系結構應用范圍越來越廣，而且可以在開發x86版本后再移植到其他平臺。

一、操作系統簡介

操作系統在功能上主要是負責管理計算機的資源，這些資源包括CPU、內存、外部存儲器、還有一些其他的外設。

從結構上則分為單一內核和微內核結構，單一內核的代表就是UNIX、Linux，這類操作系統的內核是一個整體，功能都包含在內核里面，有點“大雜燴”的味道，其優點就是由于功能都包含在內核中，因此內核很緊湊，且效率較高。而且帶來的缺點就是當一個功能模塊需要修改時，就必須將內核全部編譯一次。微內核結構的代表就是windows系列，其內核提供的功能很少，僅有一些基本的功能，其他的功能全部作為擴展模塊連接進入核心，這樣的好處就是各個功能模塊在接口不變的時候，可以很方便的更新而不影響系統，給系統提供了最大的靈活性。帶來的缺點是結構不夠緊湊，造成一定的資源浪費，同時也對運行效率產生一定影響。本系統采用的是單一內核結構。

操作系統的開發通常是在UNIX、Linux下使用GNU Compiler Collection(GCC)進行開發編譯。一般認為不能在Windows下開發，并且認為微軟提供的開發工具不能進行此類開發。但是本操作系統是在Windows下開發使用Microsoft Visual C/C++ 6(VC6)進行開發。

二、CPU保護模式初始化

PC在通電后運行于16位實模式，其尋址能力為64K，而嵌入式系統的配置范圍非常廣泛，僅僅考慮16位的尋址范圍顯然不適合當前的發展要求。而i386及其以上的CPU的尋址能力都達到了4G，因此需要設計能支持4G內存的操作系統。

在系統引導時，首先建立一個臨時的全局描述符表(GDT)，這個全局描述符表中有5個描述符，第一個必須設為0，這是x86處理器規定的，稱為啞描述符。其中兩個是16位保護模式代碼段和數據段的描述符，用于在切換CPU運行模式的時候，保證初始化代碼仍然能夠正常運行。另外兩個是32位保護模式下的代碼段和數據的描述符，用于CPU內核運行。

由于CPU在復位時是處于16位實模式，所以初始化代碼是16位實模式下的代碼，這部分的代碼的作用是為切換到16位保護模式準備運行環境，主要的工作是設置GDT。具體地做法是根據當前的段寄存器計算GDT中相應段描述符的值。

再設置好GDT后，就可以將CPU切換到保護模式下運行。將CPU切換到保護模式的方法是，將cr0寄存器的0位設置為1，代碼為：

……

mov eax,cr0

or eax,1

mov cr0,eax

……

再切換到保護模式運行后，由于CPU有指令預取機制，所以在指令隊列中已經存在了下一跳指令，而且需要刷新代碼段寄存器，為了防止運行出錯，必須刷新指令隊列已近代碼段寄存器。由于需要在一條指令中同時刷新段寄存器和指令隊列，所有需要手動構造一條段間轉移指令。代碼為：

……

db0eah

dwoffset init

dwtemp_code_sel

init:

……

完成后CPU即進入16位保護模式運行。

三、建立內核運行環境

進入內核后，首先必須建立運行環境，對于INTEL的CPU來說，就是建立兩個系統表，一個是全局描述符表（GDT），一個是中斷描述符表（IDT）。

（一）全局描述符表初始化

在CPU由16位實模式切換到32位保護模式的時候，建立了一個臨時的GDT。但是進入內核后，需要一個真正的描述符表，不能在繼續使用這個臨時的GDT，否則在以后的任務切換中將會遇到麻煩。

由于假設系統運行在單一地址空間，因此全局描述符表僅需要3個描述符，可以使用數組定義如下：

DESC gdt[4] = { {0,0,0,0,0,0},

{0xffff,0x0000,0x00,0x9a,0xcf,0x00}, // 代碼段

{0xffff,0x0000,0x00,0x92,0xcf,0x00} // 數據段

};

定義了新的全局表述附表后，就可以將GDT更換為新的描述符表，并且將段寄存器CS的值更換為新的段選擇子的值。

（二）中斷描述符表初始化

運行環境的另一個重要的系統表就是中斷描述符表，他決定了由哪個程序來響應系統的中斷或者陷阱。在保護模式初始化時，并沒有對IDT進行初始化，甚至沒有定義中斷描述符表，那是因為在進行保護模式切換時，可以保證系統運行于關中段狀態，保證初始化本身也不使用任何的軟中斷指令，這樣就可以在沒有對IDT初始化的情況下，確保不會發生因中斷描述符表沒有設置而導致的錯誤。

由于INETL的CPU可以響應256個中斷，因此系統IDT最大有256個描述符，但是實際系統中并不需要那么多，所以可以根據需要進行設置，在本系統中，為了節約空間，僅定義了64個。

定義后并將其初始化，使用一個默認過程來初始化，這個默認的過程什么工作都不作，僅僅是簡單的返回。默認過程定義如下：

__declspec( naked )

void default_int()

{

__asm iretd ;

}

這里使用了__declspec( naked )這個由VC6提供的特有關鍵字，它可以讓編譯器不生成函數的環境初始化代碼，所有的操作都交由程序員來完成。因此可以使用VC6來編寫中斷處理程序，這也是為什么選擇VC6來編寫這個操作系統的原因。

（三）系統基本硬件初始化

系統環境建立后，需要對硬件設備進行初始化，為了保證通用性，僅初始化大多數系統都會有的硬件，就是系統時鐘。

在PC系統中要初始化系統時鐘，必須首先初始化中斷控制器，因為系統時鐘是通過中斷控制器接入系統的。由于INTEL已經保留了CPU的0-31號中斷，因此中斷控制器的中斷只能從32號中斷開始。在本系統中，中斷控制器接入CPU的中斷號從32開始，到47，一共16個，另外保留16個中斷門作為系統調用的入口，為以后擴展功能留下一定的余地。

四、 進程定義及調度

（一）進程定義

任何操作系統，最重要的概念就是進程，進程通常表示一個執行的程序，它包括可執行的程序、程序數據、棧、程序計數器等等程序運行需要的信息。在本系統中，由于并沒有涉及復雜的功能，所以進程結構的定義比較簡單。僅包含調度相關的信息和一些基本進程信息

struct _task

{

struct _node task_node;

char task_cputime;

BYTEtask_stat;

BYTEtask_pri;

BYTEtask_pril;

DWORD task_prinum;

int task_sleep;

void *task_sp;

char *task_name;

int task_id;

int task_pid;

unsigned int task_errcode;

};

（二）調度算法

本系統采用的調度算法是以優先級為主，輔以時間片輪轉的調度算法。以優先級為主的調度算法，可以保證高優先級的進程可以搶占CPU，以保證實時任務得到及時響應，而輔以時間片輪轉，則可以保證優先級相同時，各進程公平的獲得CPU時間。

系統調度過程是調度器根據優先級從高到低的原則掃描系統進程表，在發現某個優先級存在可調度進程的時候，就轉入掃描該優先級的進程表，如果該優先級中存在多個任務，就根據時間片輪轉的原則挑選出進程，然后將CPU的控制權交給挑選出來的進程。

五、結語

這僅僅是一個最簡單的操作系統內核，沒有提供任何額外的系統服務，包括一些類似系統延時、互斥對象、定時器這樣的基本功能，但是有了基本的內核后，就可以在其上發展，使其逐漸發展壯大。

【參考文獻】

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[2]Andrew S. Tanenbaum. Modern Operating Systems [M]．機械工業出版社，1999．

[3]Jean J. Labrosse. MicroC/OS_II The Real-Time Kernel Sec-

ond Edition [M]．北京航空航天大學出版社，2003．

[4]楊季文．80X86匯編語言程序設計教程[M]．清華大學出版社，1998．

【作者簡介】羅斌（1978- ）， 男 ，廣西馬山人，廣西電網公司南寧供電局助理工程師。