OS实现过程之Xtensa DC_D_233L

写这篇文章的目的，主要是给那些新手看的，以满足他们的好奇心，让他们知道写OS会经历哪些过程。至于老手，都已经会写OS了，本文就没啥吸引力了。大家瞅瞅就行 。
1. 背景

有现成的bootloader、OS、芯片驱动、产品，CPU是Xtensa DC_D_233L。我们有其它部分的源代码，但OS是其它公司开发的，源码没有。

2. 设计目的

 在DC_D_233L 上运行的多线程操作系统。当前已有bootloader、CPU内部模块的驱动、官方GDB（不是linux中的GDB）等。

3. 实现步骤

（1）了解OS的结构；（2）查阅xtensa官方手册，了解芯片工作机制；（3）分析xtensa官方手册，提取出与OS相关的内容；（4）在纸上或电子文档中写下OS运行过程；（5）检查第（4）步的结果是否可行；；（6）编写OS代码，在电路板或仿真器上运行。

4.了解OS的结构

多线程OS的结构如下：（1）内存管理；（2）中断和异常处理；（3）线程调度；（4）系统调用；（5）文件系统（暂不实现）；（6）兼容现有OS接口；多线程和多进程非常不同，多进程的文件系统是一大难点。多线程可就简单好多好多了，不用实现文件系统、代码常驻在内存中，这些都省好多事情。

5 查阅xtensa官方手册，了解芯片工作机制

芯片工作机制，包含如下内容：（1）CPU寻址过程；（2）发生中断时，硬件对中断的处理过程；上述2项内容是必须要了解的。第（1）步牵涉到CPU寻址硬件的工作流程，它会使用很多硬件结构和寄存器，它们可能会成为单个线程正常工作的一部分。第（2）步是为了线程切换做准备，因为10ms定时中断一定会使用这种机制进行线程切换。xtensa官方文档很多，为了实现上述2个目的，需要做如下2步：（1）浏览多个官方文档，找出与上述目的相关的所有文档；（2）对第（1）步的文档进行重要性排序，先看最重要的文档；本人第（1）步唯一找到的文档是微处理器编程手册，紧接着就开始看了。坦白说，这份文档真不错，感觉是手把手教人如何写OS，就连代码设计的背后考虑，它都进行了详细说明。文档信息整理，这是本人现在面对的问题。这个编程手册才200多页，瞅瞅ARM的那些手册，动辄上千页，整理信息是很容易迷路和失去耐心的。抱着目的看文档，能有效解决这个问题。写OS是个艰苦的活，整理文档信息是第一步，是不可避免的。

6. 分析xtensa官方手册，提取出与OS相关的内容

这次的目的性非常强。首先是对总结内容的排序：（1）先做内存管理的总结。内存管理肯定排在线程调度、系统调用前面，但是如果内存访问时没有触发异常或引发中断，则中断和异常处理是不必要的；内存管理却是时时都要用的。因此先做内存管理的总结，直到其完成为止。（2）再做中断和异常处理的总结。中断和异常处理肯定排在系统调用前面，另外在中断里可以进行线程调度（如10ms定时中断），因此再做中断和异常处理的总结。（3）再做线程调度的总结。它肯定要排在系统调用的前面。（4）再做系统调用的总结。（5）兼容现有OS接口：这个暂时不考虑，等到写出了OS，再做兼容不迟。在总结过程中，我先在纸质笔记本上记录心中所想（纸张比电子文档更让人能思考），后来发现图表在纸质笔记本上写着不方便（经常删除内容），因此后来改用电子文档做总结思考。但是，总是在思考成熟后，比如在提出一个疑问并获得答案后，才会在电子文档上做记录。例如，内存寻址步骤是什么？每步做了什么事？内存寻址的参与对象有哪些？这步做下来，A3纸用了29页。

7. 设计的细化
7.1 设计目标

分2步实现我们的最终目标：（1）写出最小的、能正常工作的OS，OS越简单越好，效率高低无所谓；（2）在第一步的基础上，逐步扩充功能；采用上述策略的原因是：（1）一次性实现所有功能，难度大；（2）某些功能并非必需；（3）一次性实现所有功能，不利于程序调试；（4）一次性实现所有功能，不能增加软件实现者的信心（非常重要！）；上述方案可以让我们一开始，就集中注意力在验证文档总结是否正确、核心模块如何实现上，非核心模块先不做。这种方式可以让我们在初期就发现设计缺陷。当然了，我们的设计仍是大而全的，只是先实现核心模块而已。

7.2 内存管理的设计

内存管理的目标：（1）不启用MMU（也就是说，不使用虚拟地址到物理地址的转换硬件---非常重大的设计决策）；（2）可以随时分配内存、随时释放内存；（3）内存大小的改变不影响程序的改动；因为上述目标，使得内存管理蜕变为一个算法。

7.3 中断和异常处理的设计

（1）必须能够处理各种中断；（2）支持高频率的中断处理（此为通信芯片，物理层中断非常频繁）；（3）支持硬件中断嵌套，不支持软件中断嵌套（这个决策与芯片有关）；

7.4 线程调度的设计

（1）线程可以创建无数个；（2）线程可以手动退出，也可以自动退出；（3）提供线程间通信方法；（4）线程调度算法易于修改；（6）所有线程都是privileged权限；（7）线程的优先级可以在创建线程时设置（此为通信芯片，某些线程优先级很高）；（8）线程调度接口简单；

7.5 系统调用的设计

系统调用函数分为2类：    （1）线程切换类；    （2）非线程切换类。之所以分类，是因为中断处理函数开放给用户编写，用户可能会在其中胡乱调用系统调用函数。所以对每个系统调用函数分类，使得在中断中只能调用非线程切换类函数。

8. 实现策略
8.1 最终目标

#include <stdio.h>#include "OS_API.h"void *taskA(void *arg){    u32 i;    while (1) {        for (i = 0; i < 2000000; i++);        schedule();    }}void *taskB(void *arg){    u32 i;    while (1) {        for (i = 0; i < 2000000; i++);        schedule();    }}int main(){    u32 i;    /* 1: register main() as a task, and put it to task chain, this has     * been done statically     */    /* 2: */    mem_init();    /* 3: */    interrupt_init();    /* 4: must be done after memory init */    sched_init();    /* 5: start testing */    thread_create(taskA, NULL);    thread_create(taskB, NULL);    while (1) {        for (i = 0; i < 2000000; i++);        schedule();    }    return 1;}

上述代码只有创建线程和线程调度，没有使用内存分配算法和开启中断。这符合先前的简化目标，因为我们仍处于验证设计是否可行的阶段，此时不应把代码弄复杂。
8.2 系统初始化

分类                 内容                                        初始化顺序                     PC寄存器，SP寄存器                              21全局设置——>           PS寄存器                                       14                     WINDOWBASE寄存器                               11windows机制           WINDOWSTART寄存器                             12                     a0寄存器，a1寄存器                              13中断机制              INTENABLE寄存器                                 1                     INTERRUPT寄存器                                 2                     ICOUNTLEVEL寄存器                               6debug异常机制         IBREAKENABLE寄存器                              5                     DBREAKCn寄存器                                  4zero-overhead机制     LCOUNT寄存器                                    3时间计算              CCOUNT寄存器                                    7扩展L32R模式          LITBASE寄存器                                   8                     PTEVADDR寄存器                                 15MMU机制              RASID寄存器                                     16                     ITLBCFG寄存器，DTLBCFG寄存器                     17协处理器              CPENABLE寄存器                                  9浮点寄存器            FSR寄存器，FCR寄存器                             10MMU机制              指令cache，数据cache                             18                     TLB entries或CACHEATTR寄存器                    19                     其它寄存器                     其它硬件结构ROM解压              从ROM中解压到内存中                               20调用第1个C函数        调用main()                                      22

8.3 内存管理初始化
存储访问中的参与对象：

ITLB，DTLB组ITLBCFG，DTLBCFG寄存器RASID寄存器PTEVADDR寄存器（存放页表的基地址）cache结构EXCVADDR寄存器

在CPU上电启动后，应做如下初始化工作：（没有列出先后顺序）

（1）ITLB组和DTLB组中，除了way 6，其余的way都置为invalid。（2）设置ITLBCFG寄存器和DTLBCFG寄存器，以设置way4, way5, way6的页表大小。（3）设置RASID寄存器的值为0x04030201。（4）清空cache中所有内容。（5）不设置PTEVADDR寄存器。因为此时位于ring 0，寻址可以使用way6，故不会发生硬件自动填充TLB的情况。

在main()运行之前：

（1）定义1个数组avail_memory[内存字节大小/ (1024 × 4 ×8)]，用每个成员的每个bit表示1个4KB的内存；bit = 0表示该4KB没有被使用，bit = 1表示该4KB正在被使用；（2）将数组avail_memory[]的每个成员都置为0；（3）定义存储分配函数为：    void *emalloc(u32 size);    // 从主内存中分配size个字节的存储区    void efree(void *addr); // 从主内存中释放以addr为起始地址的存储区【注】之所以叫emalloc()，efree()，是不想与malloc()和free()混淆。

在mem_init()内部：

（1）将avail_memory[]数组清零；

8.4中断初始化
main()运行之前：

（1）定义1个数组：void (*interrupt_handler)[32];

interrupt_init()内部：

（1）将interrupt_handler[]数组全部设置为NULL；（2）将10ms定时中断的中断优先级设置为最低（为了嵌套中断能工作更顺利）；

8.5 线程调度初始化
main()运行之前：

（1）将main()定义成1个线程；这步一定要将main()定义为1个线程，原因是这样的：main()一定会创建新线程，当新线程被中断或主动进行线程切换时，如果main()不是一个线程（从而它不在全局的线程链表中），则线程调度时，永远不会选择并切换回main()。

sched_init()内部：

    空；

thread_create()内部：

（1）使用phy_malloc()为每个新线程分配PCB；（2）对该新PCB进行结构方面的初始化；（3）对该新PCB进行栈上内容的初始化；

9. 实现总结

（1）查阅并总结文档非常耗时，占整个时间的2/3；编码及测试只占1/3；（2）尽量看官方文档，官方文档比网络上的二手资料准确；（3）先写核心模块，再逐步扩充OS功能。OS功能众多，难道要一次性全部写完？对本人而言，一次性写完难度太高了，根本完成不了。所以在设计阶段，就应经想好实现模块的先后顺序。初期实现目标代码，当然是越简单越好（否则就没信心了），无所谓效率，能进行线程创建、线程切换就行，此时不要求线程退出（线程就是无限循环）。这个阶段伴随着设计方案的验证、设计方案的修改、芯片理解的校正等，逐步实现线程切换。一旦实现线程切换，则可以加上内存分配、互斥量、条件变量等，再加上中断和异常处理、定时器，形成可以工作的OS；（4）xtensa GDB可以进行软件层的线程切换（Keil也可以），它是个非常强大的程序调试工具；