如何从零开始写一个简单的操作系统？ 第1页

我来写一个如何在15天内完成一个嵌入式实时操作系统，并移植到stm32单片机的攻略吧。第一次看到这个问题是在大概两个月之前，从那时候开始决定自己也写一个操作系统，于是开始看os的基本概念，进程切换，任务调度，内存管理，任务通信，文件系统等等。

前言:

大约在两个周不到前动手，平均每天7个小时，从完全不知道怎么下手（真的快哭了），到现在完成了一个----基于优先级时间片调度，具有信号量，消息队列，内存管理的嵌入式系统并命名为--LarryOS，并且移植到stm32（Cortex-M3架构）上，还在stm32上实现了一个malloc和free函数，受益匪浅。现在还正在完善。我是用自己命名的，当然，大家写好了也可以用自己命名，图个开心么 ，想想是不是很激动啊。

对于这个问题下的回答的看法:

大神真的好多，几乎都是x86型的，难度真的要比我的大，不得不承认。不过，我觉得对于新手，写那样一个系统真的是太艰辛了，比如我这种入ee坑的在校大三学生，课真的太多了，周内最少三节课，而且和cs没有一毛钱关系，课余时间太少，如果花费一个学期或者三个月的时间来写，可能有些得不偿失。因为许多想写os的朋友，和我一样，一是觉得写os很酷，二是想通过写来理解os，毕竟看书看了就忘，也没有衡量自己学的好坏的标准。因此，选择写嵌入式系统，是一个非常好的选择 。

知识储备:

这个问题想必是很多同学顾虑的，到底写一个嵌入式系统需要什么知识储备？我从自己的经历出发，并加以简化，大家可以参考一下。

自身版：

1c语言要求：我自己在大学里几乎没学过c语言，上机几乎10道题会2道，期末全靠背。后来开始自学了c，看了c语言程序设计现代方法，c和指针 c专家编程 第一本书的课后题，做了3分之2吧，就这样，没了

2汇编要求：会基本的x86指令，仅仅是基本，看了王爽的汇编语言，程序写的很少，仅仅上机课写过，不过能很快写出来。

3微机原理或者计算机组成原理：老师上课太坑了实在，我自己看了csapp的前四章大概，豁然开朗，推荐这个。

4操作系统：看了三个礼拜os的基本概念，仅仅是了解概念，没办法深入，也没地方。。。。

5数据结构：看过浙大的数据结构公开课的3分之2，会写基本的链表，队列，最基本的树和树的基本的遍历办法，图完全不会

6单片机基础：大约两年的单片机基础

7新手看到这里，可能已经慌乱了。。。。不要怕，我说的很多东西，写嵌入式系统用不到啊 ，继续，发一个精简版

精简版

1:c语言 能把我推荐的c书的第一本或者c primer之类的书看个一半，或者自己本身知道指针的概念，知道结构体指针，函数指针，二级指针的用法，仅仅是概念和写法就行了，不用深入，用不了多久。

2汇编：知道有几条常用指令，用法和功能是什么就可以了

3组成原理：知道中断是什么，入栈和出，寄存器，知道汇编对应的计算机大概动作就可以了，用不了一个周

4操作系统:找个公开课或者书，看看大概的os概念，一个周就够了，我现在很多概念还是不知道，后面可以慢慢学

5数据结构：会写链表，队列就行了，我们不写文件系统，不用树

6单片机基础：用过单片机，不用自己写驱动代码，仅仅可以在别人的驱动下，编写一些简单的逻辑代码就行，完全没学过的人，两个礼拜就可以用stm32来编程了，如果之前学过51，一个礼拜不到即可，因为我们只是借助一下单片机，避免使用虚拟机，方便操作系统的调试。因为我们可以用单片机，输出某些信息在串口或者液晶屏，让我们直接看到代码的错误点，方便我们调试。

因为很多大一的新生想写，推出一个极限版~~

极限版

1.学过C，知道有指针这个东西，其他的边做边学。

2.不懂汇编，边做边查，边查边写。

3.知道什么是寄存器，知道中断的概念

4.知道OS是由什么组成的

5.数据结构完全不会，遇到链表，队列时再查，或者直接抄也行

6.不学如何使用单片机，遇到再查

发一个很装逼的封面助兴

正文：

一、开发环境

对我来言，这倒是很重要的一点。第一次萌生想写OS的想法时，在网上搜索了不少资源，大多数都是在叙述框架，如何构建一个操作系统。然而对于当时的我来说，根本不知道用什么平台来写，如何调试自己的程序，看了一些朋友的发帖，推荐用XX模拟器，在XX平台开发，完全看不懂，界面好像也很老旧，而且大多是英文，当时有点敬而远之。自己手上只有个codeblocks软件，想来想去也不知道怎么用这个开发OS。直到有一天，突然顿悟，OS不就是一堆程序，我还打算让他运行在单片机上，那么用单片机常用的开发工具不就行了！！！---------Keil uVision5

学过单片机的朋友，相信非常熟悉这个软件，使用起来也非常简单，网上随便一查，就可以下载和安装了，这里就不详细展开说了。如果不知道如何使用的，先熟悉一下这个环境，再开始写，相信半个小时即可上手。

二、参考资料

既然是运行在真机上，必然要对它有所了解，我们这里采用的是STM32（Cortex-M3架构），市面上非常火热的一款，资料丰富，大家有什么问题谷歌一下，有很多前人的经验让你借鉴。如果不知道如何谷歌的朋友，点开这个链接去操作，免费，大约15分钟就能翻墙了如何优雅的访问谷歌、谷歌学术等网站 | 欧拉的博客。

1.Cortex-M3权威指南（中文版），这本书会详细的讲解，中断处理，异常，ARM汇编等知识，我们会在任务切换的时候用到。（PDF即可）

2.嵌入式实时操作系统ucos（邵贝贝审校），ucos中有很多我们可以借鉴的地方。

3.谷歌，有一些基础知识遗忘的时候，谷歌可以让你很快补充上来

三、从写一个最简单的os做起

我们这里假设我们写一个支持32个任务并发执行的简易OS

1.任务就绪表

我们假设这里任务有两种状态，就绪态和非就绪态。

我们定义一个32位的变量OSRdyTbl（就绪表），它的最高位（第31位）为最低优先级，最低位（第0位）为最高优先级。OSSetPrioRdy（）函数的功能是，你传递一个数（优先级），把这个优先级对应的任务设置为就绪态。同理，见图：

OSDelPrioRdy（）函数将某任务从就绪表移除

OSGetHighRdy（）函数选出最高优先级的任务

这里我们就完成了，设置某任务为就绪态，从就绪态删除某任务，获得最高优先级任务的任务。

2.任务控制块

想必这个概念大家很清楚了，每个任务都对应一个任务控制块，典型的用处是，任务切换时，通过控制块来获知每个任务的堆栈（因为控制块有指针指向该任务的堆栈）

此外，再定义几个变量。

注释写的很清楚，不解释了！

3.主堆栈

在此STM32中，提供两个堆栈指针，一个是主堆栈（MSP），一个是任务堆栈（PSP），可以通过查Cortex-M3权威指南（中文版）得到。所以我们既要建立一个主堆栈，又要为每个任务建立自己的堆栈（一个任务一个），这里我们先不管任务堆栈，只看主堆栈。

OS_EXCEPT_STK_SIZE是个宏，大家可以自己设定，我这里设的是1024，一定要尽量大一些。为什么？因为裸机下，进入中断服务程序时，系统会把许多寄存器入栈，而且支持中断嵌套，也就是刚入栈完又入栈，所以有可能会堆栈溢出，非常危险。

CPU_ExceptStkBase大家先别管，它指向的是数组最后一个元素。

4.建立一个任务

我们通过Task_Create（）函数来建立一个任务，第一个参数用来传递该任务的任务控制块，第二个参数用来传递函数指针，第三个传递该任务的堆栈。tcb->StkPtr=p_stk这句将该任务控制块中应当指向栈顶的指针，指向了该任务的新栈顶（前面定义了TCB，自己可以翻一翻），在写该函数时，一定要看Cortex-M3权威指南，不然你怎么知道有这么多寄存器，而不是仅仅从R1到R7？看到这里，还想看懂的，应该都是真的想写OS的朋友，这里有不懂的去看Cortex-M3权威指南，你会豁然开朗的。这里，Task_End是一个几乎永远不会执行的函数，何时会执行，先不管了，看它的内容。

5.欢迎来到主函数

①第一行：在该主函数中，第一行我们让主堆栈指针指向了主堆栈，那么，这个主堆栈是哪里来的呢？很简单，我们自己定义的，哈哈。

很熟悉吧，前面发过这个图，大小你来指定，注意要大！！！！！

②第二、三行：建立一个任务，第一个参数传递了该任务的控制块，第二个参数是该任务的任务函数，第三个是堆栈（数组最后一个）

是不是很好奇，任务1和任务2是什么？一起了来看

大家自己随意定义，开心就好。

Task_Switch（）函数又是什么呀？

这里Task_Switch（）是我们用来测试的程序，当任务1运行时，完成i++后，将最高优先级设置为任务2，并用OSCtxSw（）切换到任务2，OSCtxSw是用汇编写的，是一个隐藏BOOS,我们先不管。

③第四行：程序刚运行时，是没有最高优先级的，所以我们用p_TCBHighRdy=&TCB_Task1;来随意指定一个任务为最高优先级

④：最后一行：OSStartHighRdy（）该函数也是汇编，和OSCtxSw（）并称为2大BOSS，我们会在后面解密。OSStartHighRdy和OSCtxSw很相似，不过OSStartHighRdy（）用于当所有任务都没有运行过时，用于初始化（当然具有任务切换的作用）并成功运行第一个任务，而OSCtxSw（）是在OSStartHighRdy（）之后，使用OSCtxSw（）时，最起码有一个任务已经运行了（或正在运行）。

6.完工？

到这里，从宏观说已经基本完工了，这就是一个简易的OS的基本状况。看到这里，大家可以休息一下了，消化一下，马上有BOSS要出现了，解决那两个BOSS后，就真正做成了一个简易的OS。

7.两大boss之OSStartHighRdy（）函数

7.1任务视图

终于开始了任务切换环节，这是我画的一副任务切换图，自我感觉非常好，不过大家应该看起来很困难，字太丑了~~~~

通过分析上面这张图，来确定如何写OSStartHighRdy（）函数：

①中：此时有一个任务1，但是任务1我们仅仅是建立了，并没有让它运行。这里我们认为任务1是由三部分组成：任务代码，任务堆栈，该任务的任务控制块。

②中：我们想让任务1运行起来，任务1是什么？就是一堆代码，如何运行起来？-----让PC（程序计数器）指向任务代码即可（依靠出栈POP）。同时，我们还要让SP指向任务的堆栈，这里的SP当然是PSP（任务堆栈）

7.2写OSStartHighRdy（）函数

下面开始写OSStartHighRdy（），它的功能就是上图的①和②

2,3,4,5行中的那些数字，是外设对应的地址，我们往相应的地址写值，即可完成某些目的。12,14,15行是我们之前定义过的几个变量，忘了的回头翻一翻。17行是将OSStartHighRdy（）函数extern了一下，因为我们在主函数要用。

上图就是OSStartHighRdy的内容，我们一起来看。28,29,30行设置了PendSv异常的优先级，问题来了，什么是PendSv？？？

Cortex-M3权威指南中其实讲了，很详细，这里为了缩减篇幅，不详细说，大家只用知道PendSV 异常会自动延迟任务切换的请求，直到其它的中断处理程序都完成了处理后才放行。而我们只用触发PendSV异常，并把任务切换的那些步骤，写在PendSv中断处理任务中。

7.2.1PendSv处理程序

经过39和40行，我们往控制器里写值，触发了PendSv异常，现在程序会进入异常处理程序，就是下图：

在此函数中，如果PSP为0，则进入OS_CPU_PendSVHandler_nosave（）函数，其实在OSStartHighRdy我们将PSP设置为了0，所以必然会进入OS_CPU_PendSVHandler_nosave（）函数。

7.2.2OS_CPU_PendSVHandler_nosave（）函数

在该函数中，我们让p_TCB_Cur指向了最高优先级的任务，因为有出栈，所以重新更新了SP。

7.2.3恭喜

到了此处，一个任务已经可以成功运行起来了！！！！！！

BUT only one task！我们需要让它多任务切换

7.3写任务切换OSCtxSw（）函数

与OSStartHighRdy非常相似，也是往中断控制器里写值，进入PendSv异常。

7.3.1任务视图

依然是这张喜闻乐见的图！！！！！！！

③：任务1要切换到任务2，因为待会要进入任务2，会破坏任务1，所以我们要保存任务1的现场，把寄存器入栈

④：因为任务1有入栈动作，栈顶肯定变了，我们修改任务1控制块的值，让它指向新的栈顶

⑤：什么都没有，只是想说明。我们建立了一个任务2，仅仅是建立了。

⑥:很简单，要想让任务2运行，则让PC和SP分别指向任务2的任务代码和任务堆栈即可。

⑦：什么都没有，只是想说明，任务2活的很开心，可以运行了

7.3.2由OSCtxSw（）进入PendSv异常

与OSStartHighRdy不同的是，这时的PSP肯定不为0了，所以不会跳转，会顺序执行55行以后的程序，也就是任务视图里的③，继续执行④。执行完60行的程序后，继续顺序执行，执行下面程序：

和OSStartHighRdy函数的后续步骤几乎一样，找到优先级最高的任务，让指针指向它即可！！！！

1.大功告成！！！！！！！！

到这里，我们已经彻底完成了一个简易OS的设计！！！！

8.1如何查看成果？

8.1.1增添程序

我们在主函数中加入一个函数

大家可以把它理解为一个库，调用之后，我们就可以在串口（屏幕）显示某些字符了。

同理，在任务1和任务2中加入printf函数

8.1.2编译并下载程序

8.1.3利用串口调试助手观察

网上搜串口调试助手，会有很多工具，随意下一个就OK！

可以看到，按照我们的预期，任务1和任务2轮流输出字符在屏幕上！

8.2如何调试程序？

8.2.1调试器

必然是神器--J-link或者ST-link，一个大概50，嵌入式开发神器，记得以前刚开始玩单片机的时候，调试全靠打印消息在屏幕，觉得好用的不得了，经常有人给我说，你用调试器调试啊，我都鄙夷的回一句，需要么？（哈哈，那时确实不需要） 等开始写OS时才知道，这东西真是救命稻草，没有它，怎么看寄存器的值和异常返回的值呢？

8.2.2界面

点击DEBUG后，你可以看到寄存器的值。想想我们之前要入栈，出栈，如果哪一步错了，自己估计把串口吃了，也看不出来吧，哈哈！！！！！！

单步调试什么的，不说了，用的很多。

9.写到此处的感想

答主因为写这个OS，在凳子上久坐了两周，这两天腰疼，只好躺着写这个回答了！哈哈！

也正好因为腰疼，感觉时间比较多。不过和想象的真的不一样，本来觉得可以一气呵成，结果短短的篇幅，就写的自己的思维都大乱了，而且也挺费时间的，前后用了有6个小时了。想写OS的朋友，参考上面的步骤，加上自己琢磨，应该也能写一个出来。如果哪里有不清楚的，不要心急，如果真的是一两天就写成了，还有什么锻炼的意义，有点失去初衷了。不懂的就去查权威指南和OS的书籍，相信你会收获的非常多！

为什么要写这个回答？

这是我写了6个小时多以后来补充的问题，因为我自己也纳闷了，放着自己的事不做，跑来写这么一堆干什么........刚才路上走着想到答案了----------想留个纪念。还有不到两个月就要寒假了，我打算考研，也就是说这是大学里做的最后一个项目了（毕设除外），真的挺伤感。从大一一路折腾过来，现在要突然一年不能折腾，简直泪流满面！！！！！！！！！！！！！！！！！！希望我这个简单的开头，能让想写OS的新人得到一丝启发。

写操作系统能学到什么？

这也是我想写这个回答的原因，对我的改变挺大

前几天有个好朋友（大一开始和我一起学单片机的朋友，后来他一直在做单片机项目，却没有补过任何基础知识），打电话问我XX模块怎么用，其实是很简单的一个问题，直接百度都可以，但是他还是想要来问下我，我说很简单，就XX做就可以，有问题你再百度，但是他好像不想听到这种回答，想让我说到他一听就知道怎么做了，才敢开始做，不然就不敢启动项目。那时我才突然意识到，以前的我就是这样啊，做什么项目做什么东西，老是想要集成的模块，资料丰富的模块，如果没有什么源驱动代码，我就不敢做了，生怕买回来，用不了之类的，甚至有源码也不敢买，因为源码和我的机型不一样，连修改源码都怕。开始写OS，我还蛮恐惧的，因为不是科班，没学过，不懂。涉及的东西也很广，从编程语言到数据结构，组成原理，操作系统，怕拿不下来，也找不到好的资源，不知道怎么写起。通过这次项目，我想应该学到了一下东西：

1.遇到不懂的没有那种很强的抵触感了，开始学会查芯片手册，查原理书，开始配合谷歌查BUG，现在即使是拿来我没有接触过的模块，无论最后做的出来与否，我肯定先去了解它是什么，概念是什么，再去找厂家提供的资料，提供的源码，去一行一行的看，自己修改或者重写，这个比下面说到的什么具体的知识，我想都重要的多。我现在还记得第一次和第二次，第三次打开Cortex-M3权威指南（中文版）时的情景，看了几页就吓得我关了，简直是天书啊，其实耐心看，真的能看懂。

2.把自己数据结构里学的东西，真正带到了项目，虽然也写过队列等这些数据结构的题，但是在以前的嵌入式开发里，几乎用不到，有时候觉得好没用啊这些。这次通过实现OS的消息队列，看linux的文件系统，知道了这些在实际的巨大用处。

3.对OS的基本概念和运转有了认识

4.对C语言的理解深刻了许多

5.每个人的体验都不一样，没什么补充的了O(∩_∩)O哈哈~

四、简单几步将简易OS改造为--优雅的简易OS

1.为什么不优雅？

在该函数中，任务1执行完，立马就会切换到任务2，然而在实际中，我们希望是这样的：

任务1每100毫秒执行一次

2.系统节拍

几乎每个实时操作系统都需要一个周期性的时钟源，称为时钟节拍或者系统节拍，用来跟踪任务延时和任务等待延时

我们在main函数中输入这样一句

这里我们配置了定时器中断，每5毫秒一次中断。中断后会进入中断处理函数，下面来写中断处理函数：

大家只用管if里面的函数即可：我们在某个函数中将TCB_Task[i].Dly置为x，中断处理函数会每5毫秒，将非0的TCB_Task[i].Dly减一。如果TCB_Task[i].Dly非0，对应的任务是不会运行的（因为被我们删除就绪态了，这里看不到），当TCB_Task[i].Dly减为0，我们才将该任务置为就绪态

3.编写OSTimeDly()函数

也就是1中图片所示的函数，它可以让某任务指定每X毫秒运行一次。

第65行，可以关闭中断，同理，第68行，开启中断。为什么要关闭中断？因为中断会影响我们执行下面的代码，先关闭中断，执行完后再打开。66行将该任务从就绪态变为非就绪态，将要延迟的时间赋值为TCB_Task[OSPrioCur].Dly，然后调度（也就是切换任务）

4.调度函数OSSched（）

非常简单，刚才我们将某个任务变为了非就绪态，紧接着就找就绪态任务中优先级最高的任务，然后切换

5.是否完成了呢？----空闲任务

乍一看，好像完成了，实则不然，虽然我们任务1每X毫秒运行一次，任务2每Y毫秒运行一次，但终归里面有空闲时间：任务1和任务2都不在运行，所以我们需要创建一个空闲任务，当CPU没有东西可以运行时，运行空闲任务。以下就是空闲任务：

6.来到主函数：

其他的倒是没问题，72行有个陌生的函数：OS_TASK_Init();

其实就是之前的OSStartHighRdy（）函数的升级版，非常简单

先创建一个空闲函数，再获取优先级最高的任务，然后执行最高优先级的任务。

7.一个优雅的简易OS诞生了

不好看？想加个界面？没问题-----其实已经有了，大家观察58行，就是让液晶屏显示一句话，我们把背景修改为红色，醒目一点：

很开心能有这么多朋友喜欢，非常感谢 。我开了一个简单的头，相信真的喜欢os的朋友，只要认真去做，一定也能实现一个更好的作品。后面的暂时不打算写，如果有了新的思路，一定会再写出来。授人以鱼不如授人以渔，看到这里已经有动手的能力了，想写的朋友不要害怕，尽管去做！！！加油

五、加入信号量

六、加入消息队列

七、内存管理

八、实现一个free和malloc玩玩？