HNU-2024操作系统实验-Lab6-任务调度

一、实验目的

理解操作系统核心功能–任务调度，以及调度系统的工作原理
实现一个单进程支持多线程的抢占式调度系统
实现一个单进程支持多线程的分时调度系统

二、实验过程

1、实现调度系统的基础数据结构：双向链表

① 在include目录下创建lists_type.h文件，定义双向链表结构

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② 在include目录下创建prt_list_external.h ，定义链表的各种相关操作

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本文件中定义了一系列宏以及链表相关处理函数：

ListLowLevelAdd：本函数用于在两个已存在的节点prev和next之间插入一个新的节点newNode。
ListAdd：本函数将新的节点newNode添加到链表的头部，即listObject节点的后面。
ListTailAdd：此函数将新的节点newNode添加到链表的尾部，即listObject节点的前面。
ListLowLevelDelete：这是一个删除函数，用于删除prevNode和nextNode之间的节点。
ListDelete：此函数删除指定的节点node，并将它从链表中移除。
ListEmpty：本函数检查链表是否为空。通过判断链表的next和prev是否都指向它自己来判断是否为空
OFFSET_OF_FIELD：这个宏用于获取结构体成员field在结构体type中的偏移量。
COMPLEX_OF：这个宏通过给定的成员field的指针ptr，获取控制块的首地址。（利用成员field的指针ptr减去field在type类型的控制块中的偏移量）
LIST_COMPONENT：这个宏是COMPLEX_OF宏的别名，根据成员地址prt获取控制块的首地址。
LIST_FOR_EACH和LIST_FOR_EACH_SAFE：这两个宏用于在链表中遍历每一个元素，主要目的在于简化代码。

2、实现调度系统的任务控制块

此处直接按照指导书上在对应目录下创建相应名字的文件，然后复制粘贴即可，下面仅是代码部分片段的分析。

① 在include目录下创建文件prt_task.h，定义了一些相关宏定义以及任务创建时参数传递的结构体： struct TskInitParam。

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② 在include目录下创建文件prt_task_external.h ，定义任务调度中最重要的数据结构——任务控制块 struct TagTskCb。

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③ 最后在include目录下引入文件prt_amp_task_internal.h，定义了三个内联函数，用于将任务控制块加入运行队列或从运行队列中移除任务控制块。

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3、实现调度系统中任务的创建

在src/kernel/task目录下创建文件prt_task_init.c，用于实现任务创建代码（下文代码如果没有明确说明所在文件，均在此文件中，某些代码段开头有// src/core/kernel/task/prt_task_internal.h之类的注释，部分同学可能会误以为是代码对应的位置，导致最后程序报错并且难以找到原因。）

① 相关变量与函数声明

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② 极简内存空间管理

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③ 任务栈初始化

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根据课程《操作系统》的相关学习，了解到当发生任务切换时，会产生上下文的恢复与保存，而当任务第一次执行时，内核栈是空的，无法进行上下文的恢复，因此我们需要先在内核栈中放置第一个任务的上下文内容，从而进行上下文恢复，此处最重要的是寄存器x30以及spsr（异常发生时的程序状态）的值。

④ 在include目录下的文件os_cpu_armv8.h加入任务上下文结构体TskContext的定义

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此处原先应该是在bsp目录下的文件os_cpu_armv8.h中被定义，但是由于上一个实验在include目录下定义了同名文件os_cpu_armv8.h，此处将二者合并，将上下文结构体定义在include目录下的os_cpu_armv8.h中

⑤ 实现任务入口函数

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在任务入口函数中，首先定义了该任务的TCB任务控制块，然后关闭中断，以防止在任务调度过程中产生中断，同时用intSave保存中断状态，待调度结束后恢复原来的中断状态，当调度完成后，调用OsTaskExit函数释放TCB资源。纵观整个调度系统，找不到类似 OsTskEntry(taskId)这样的对 OsTskEntry进行的函数调用。事实是在通过 OsTskContextInit 函数进行栈初始化时传入，即任务第一次就绪运行时会进入OsTskEntry执行，这也符合任务入口函数的定义。

⑥ 实现任务创建

注意：这段代码的开头就是前文提到的可能致误的注释
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对任务创建的函数进行分析：

OsTaskCreateChkAndGetTcb 函数：检查空闲链表中是否还有任务块，如果有则从空闲链表 g_tskCbFreeList 中取出一个任务控制块，然后将该任务块从空闲链表中去除；
OsCheckAddrOffsetOverflow：检查地址加上分配大小是否会导致地址溢出。
OsTaskCreateRsrcInit函数：初始化任务资源。如果用户已经设置了任务栈，就使用用户配置的栈，否则通过 OsTskMemAlloc 为新建的任务分配堆栈空间。此函数返回任务栈的顶部地址和大小；
OsTskCreateTcbInit：初始化任务控制块TCB。设置任务的栈指针，参数，栈的顶部地址和大小，优先级，入口函数等信息。
创建一个任务：首先获取一个空闲的任务控制块，然后初始化任务资源，初始化任务控制块，最后设置任务状态为挂起，并返回任务ID（并不激活此任务）
OsTskContextInit 函数负责将栈初始化成刚刚发生过中断一样；
PRT_TaskCreate：这是一个简单封装函数，调用OsTaskCreateOnly函数

⑦ 实现解挂任务

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下面对此部分的函数进行分析：

OsMoveTaskToReady: 此函数首先进行判断，如果任务处于可中断延迟状态并且超时，它会清除任务的延迟等待标志位，然后如果任务没有被阻塞，则将任务添加到就绪列表，同时检查UNI_FLAG中的OS_FLG_BGD_ACTIVE位是否被设置，若设置则引发调度程序。
PRT_TaskResume: 此函数首先获取指定任务的控制块，然后检查任务是否正在使用。如果任务未创建或者正在运行且任务锁定，函数返回错误。如果任务没有被挂起或处于可中断延迟状态，函数同样返回错误。如果函数没有返回错误，则正常清除任务的挂起状态，并调用OsMoveTaskToReady将任务移到就绪列表。

⑧ 任务管理系统的初始化与启动

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对该模块进行分析：

OsTskAMPInit: 这个AMP任务初始化函数首先分配了4096字节的内存用于存储TCB任务控制块数组，每个TCB用于存储一个任务的信息，同时任务和TCB的一一映射关系也表明数组中的元素个数即为任务的最大个数（减2的目的是预留一个空闲任务块、一个无效任务块）。然后将所有的任务控制块加入到空闲列表，并设置每个任务控制块的初始状态和任务ID，同时给RUNNING_TASK的PID赋一个合法的无效值，防止在Trace使用时出现异常，然后增加OS_TSK_INUSE状态，使得在Trace记录的第一条信息状态为OS_TSK_INUSE。最后，初始化运行队列，并设置了当前运行任务的状态和优先级。
OsTskInit: 本函数是一个封装函数，调用OsTskAMPInit进行AMP任务的初始化，如果初始化成功则返回OS_OK。
OsTskIdleBgd: 本函数定义了Idle的操作：执行空循环，当系统没有其他任务需要运行时，会执行空闲任务IDLE。
OsIdleTskAMPCreate: 本函数用于创建IDLE空闲任务，其首先设置了任务的参数，包括任务的入口函数、堆栈大小、优先级等，然后创建任务，并恢复（或解挂）这个任务。最后，将任务的ID保存到IDLE_TASK_ID。
OsActivate: 本函数用于激活任务管理函数，其首先调用 OsIdleTskAMPCreate 函数创建IDLE任务，使系统在没有任务就绪时运行IDLE空闲任务，然后调用OsTskHighestSet 函数，在就绪队列中查找最高优先级任务并将 g_highestTask 指针指向该任务，设置最高优先级的任务，同时标记背景任务正在运行，并开始执行多任务管理。（如果函数能够正常返回，说明任务调度出现了问题）

⑨ 在include目录下的文件prt_config.h 中加入空闲任务优先级定义

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4、任务状态转换

在 src/kernel/task中创建文件prt_task.c：

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5、实现调度与切换

① 在src/kernel/sched目录下创建文件prt_sched_single.c

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下面分析本文件中相关函数的功能：

OsTskSchedule函数：本函数函数实现任务调度，首先调用OsTskHighestSet来设置g_highestTask 指针指向最高优先级任务，如果当前运行的任务不是最高优先级的任务，并且没有被锁定，就设置一个标志位，请求任务调度。如果当前不在中断上下文中，就调用OsTaskTrap来进行任务切换，否则就需要等待中断历程结束后才能进行任务切换。
OsMainSchedule函数：本函数是任务调度的主入口，当有任务调度请求时（检查标志位OS_FLG_TSK_REQ），会保存当前运行的任务，清除任务调度请求标志位，然后更新任务的状态，并切换到最高优先级的任务，最后调用OsTskContextLoad加载新的任务上下文。
OsFirstTimeSwitch函数：本函数是系统启动时的首次任务调度，首先调用OsTskHighestSet设置g_highestTask 指针指向最高优先级任务，然后设置当前运行的任务为最高优先级的任务，并设置任务状态为运行。最后，调用OsTskContextLoad加载新的任务上下文。