51—TinyOS51嵌入式操作系统微小内核
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5.1.2 <setjmp.h>头文件
与中止函数about()和退出函数exit()相比，初看 起来，goto语句处理异常更可行，但是，goto语句 只能在函数内部跳转，即不能从一个函数直接跳转 到另一个函数。
为此，标准C函数库提供了setjmp()和longjmp() 函数，setjmp()函数相当于非局部标号，longjmp() 函数相当于goto的作用，从而解决了从一个函数直 接跳转到另一个函数的问题，即非局部跳转。头文 件<setjmp.h>申明了这些函数及同时所需的jmp_buf 数据类型。
如下图所示：
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统 时间轮询调度为每个任务提供同份额的cpu执行
时间。由于纯粹的时间轮询调度不能满足实时性系统 要求，取而代之的是基于优先级抢占式调度扩充时间 轮询调度，即对同样优先级的任务使用时间片获得相 等的cpu分配时间，不同优先级的具有抢占权。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
就绪状态 ；运行状态； 阻塞状态
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
就绪状态：当一个任务创立并准备运行时，内核将其放入 就绪状态。但不能运行，因为有一个更高优先级的任务在 执行，内核调度器根据优先级决定哪个任务先迁移到运行 状态，但处于就绪状态的任务不能直接迁移到阻塞状态。
运行状态：操作系统可让处于运行状态的低优先级任务暂 停运行，转而执行另一个处于就绪状态的高优先级任务， 这样正运行的任务就从运行状态迁移到了就绪状态。
SP
变化。
addr15~addr8
addr7~addr0
图 5.7
上下文信息 23
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
4、恢复调用环境
longjmp也是C标准库中的一个函数，longjmp表示回
到跳转缓冲区jmp_buf类型数组environment变量记录的
位置，恢复setjmp调用所保存的变量bp的当前值、堆栈
名称 所属类别
格式 输入参数
表 5.1 setjmp()函数
setjmp() 流程控制 #include<setjmp.h> int setjmp(jmp_ buf environment) environment：用于保存当前环境的jmp_buf数组 21
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
bp是在SDCC中定义的一个虚拟寄存器，用于 简化重入操作。书P186，对局部变量与bp做了描述 说明以及在堆栈中的变化如下图所示，可参考。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
1、协作式与抢占式OS
在操作系统的发展过程中，先后有2种形式的多 任务管理机制，即协作式与抢占式。
协作式：如果任务切换的时机完全取决于正在运 行的任务，那么这样的操作系统就是协作式多任务操 作系统。即任务执行时的权利比操作系统还大，只有 等正在运行的任务完成后，才会将控制权交给操作系 统，此时才能执行下一个任务。一旦某个任务运行出 错，则导致整个系统挂起（Pending）。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
在实际的应用中，大多数嵌入式实时操作系统 （RTOS）内核支持两种普遍的调度算法：基于优先 级的抢占式调度和时间轮询式调度。
7
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统 采用基于优先级“抢占式”的调度算法，就意味
着一个“已经就绪的高优先级任务”可以剥夺另一个 “正在运行的低优先级任务”的运行权而进入运行状 态。
图5.4 任务执行状态图
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
5、任务之间的关系 由于内存中可同时存在多个任务，且任务之间可能
存在直接和间接的相互作用关系。 直接作用只发生在相关任务之间，其相互之间的联
系是有意安排的，它们需要相互协作来共同完成一个任 务。
间接作用是指任务之间因为某种中介（如共同使用 同一设备）而发生了一定的关系，也就是说，它可以发 生在相关任务之间，也可以发生在无关任务之间。
当使用操作系统时，如果将这些“可执行的程序 单元”进行分类，即可得到在操作系统调度下的“用 户任务”。此时，任务之间的信息传递是通过“异步” 的方式来完成，即由操作系统的各种“通信”机制来 实现，比如，信息量与消息邮箱等。
与上述任务不同，操作系统有自己的“系统任 5
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
抢占式：如果任务优先运行的决定权取决于操作 系统，而且即使有一个任务死掉，而系统仍能正常工 作，那么这样的操作系统就是抢占式多任务操作系统。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
2、用户任务（User Task）与系统任务（System Task） 在单片机应用系统设计中，为了提高系统的透明
性、可移植性和强壮性，常将一个应用程序分解为许 多“可执行的程序单元”。在监控模块的管理下，以 “实参”和“形参” 形式完成各模块之间的调用和返 回。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
7、上下文切换（Context Switch）
当硬件机制决定接受哪个中断时，则当前指令 流暂停，转而执行一个上下文切换，而后cpu从执 行当前指令流转换到执行另外的指令流。这种在中 断发生时执行的替换指令集就是中断服务程序。
将被中止的任务的“上下文信息”保存到“堆 栈”中，当任务在重新运行时，则要将堆栈中的 “上下文信息”在恢复到cpu的各个寄存器中，通 过这样的上下文切换，可实现cpu的“无缝”接续 运行。
4、任务状态 无论用户任务还是系统任务，在如何时候，每个
任务至少包含：就绪（ready）、运行（running）、阻塞 （blocked）在内的状态。随着实时系统的运行，每个 任务根据简单的有限状态自动机（FSM）逻辑，从一 个状态迁移到另一个状态。
虽然内核可以定义多个任务状态组，但典型的OS 中至少有3个主要的状态：
SP=SP+4
a
SP=SP+3
a
b
b
c
c
bp
bp原值
函数返回地址1 SP 函数返回地址1
SP
函数返回地址0
函数返回地址0
SP 函数返回地址1 函数返回地址0
(a)进入函数后
(b)定义了3个变量
(c)使用bp访问变量
22
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
3、jmp_buf
由于jmp_buf主要用于保存当前调用的上下文信
从另一个角度来看任务间的相关关系，可以将任务 之间的关系提炼为同步（Synchronization）与互斥 （Exclusion）两种。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
• 任务同步：
任务间的同步是一种直接作用，任务同步是指系 统中的多个任务之间存在某种时序关系，需要相互协 作才能共同完成一个任务。比如，一个任务运行到某 个时间点时，需要另一个任务为它提供消息，在未获 得消息之前，该任务处于阻塞状态，获得消息后被唤 醒进入就绪状态。
息，为相应的longjmp调用作为返回地点标记，因此
保存在缓冲区jmp_buf中的上下文信息，至少包括变
量bp的当前值、堆栈指针的当前值（sp）、高8位和
低8位返回地址addr15~addr0。
其中的bp是在SDCC51
environment
中定义的一个虚拟寄存器，
Jmp_buf [4]状态：当任务已经请求一个还不能用的资源，或已经 请求等待某些事件的发生，或自身要延时一段时间，则任 务都从运行状态迁移到阻塞状态。如果没有阻塞状态，那 么较低优先级的任务将不能运行；如果更高优先级的任务 没有设置成阻塞状态，则可能导致cpu处于饥饿状态。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
3、并发性（Concurrent）与调度（Scheduling） 调度器是每个内核的心脏，调度器提供决定何时
执行何任务的算法。为了满足实时性要求，当有多个 任务均处于就绪状态时，嵌入式实时操作系统可以让 “一个已经就绪的高优先级任务”抢占另一个“正在 运行的低优先级任务”的运行权而进入运行状态。
如下图所示，任务A运行中，被任务B抢占而进 入执行状态。它们的运行时间有重叠部分，这种运行 方式称之为“并发运行”。
指针值 和函数的返回地址addr15~addr0，转移到setjmp
调用处继续执行。
表 5.2 longjmp()函数
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统微小内核
• 5.1 基础知识 • 5.2 最简单的多任务模型 • 5.3 协作式多任务操作系统 • 5.4 时间片轮询多任务操作系
统 • 5.5 信号量
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
本章说明：
操作系统（OS）是计算机专业的一门专业基础 课，理论教材比较抽象。
本章所学内容是从80C51单片机应用出发，主要 介绍一个基于80C51系列单片机，且全部使用C语言 编写的开源操作系统微小内核——TinyOS51 ，其目 的是帮助大家建立与操作系统有关的基本概念，如： 任务，上下文与可重入性，任务的并发性与调度， 以及信号量与消息邮箱的实现机理与程序设计基础， 为今后深入学习专业级的操作系统与应用技术做好 铺垫。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
2、保存调用环境
下表所示的setjmp是C标准库中的一个函数， setjmp使用jmp_buf类型数组environment变量来记录现 在的位置，即变量bp的当前值、堆栈指针值(SP)和函 数的返回地址addr15~addr0，供以后longjmp恢复该环 境时使用。bp是在SDCC中定义的一个虚拟寄存器，用于简化重入操作。
享资源的竞争使用，因此竞争使用这些资源的任务在 执行使用这些资源的程序时也会受到一定的限制，从 而也就引出了临界资源与临界区的概念。 （1）临界资源
在操作系统中，将一次只允许一个任务（中断） 使用的资源称之为临界资源。 （2）临界区
在操作系统中将并发任务中访问临界资源的程序 称之为临界区，临界区也常叫做互斥区。
一般来说具有可重入性的函数应该只使用局部变 量，因为函数的局部变量保存在cpu内部的寄存器或 堆栈中，这样调用同一个函数时不会发生冲突。如果 函数一定要使用全局变量，那么必须对使用的全局变 量进行必要的保护。由此可见，C编译器也应该具有 产生可重入代码的能力。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
调度器从一个任务切换到另一个任务所开销的
时间则称之为上下文切换时间。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
图5.5 上下文切换示意图
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
8、可重入性（Reentrant）
由于任务的并发性，因此经常会出现调用同一个 函数的情况，如果一段程序可以被多个任务同时调用， 而不必担心数据被破坏，那么这样的程序就是可重入 的程序。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
1、非局部远程跳转 要实现非局部跳转，都可以使用<setjmp.h>，该
头文件提供了以下必须的机制： • jmp_buf是一个数组类型变量，可将它当做“标号” 数据对象类型来看待，用于存放恢复调用环境所需要 的上下文信息。 • setjmp将程序的上下文信息保存到跳转“缓冲区 （jmp_buf类型的数组）” ，当稍后调用longjmp时， 将保存在缓冲区中的上下文信息作为返回地点标记； • 无论在何地调用longjmp，将恢复最后一次由 setjmp调用保存在“缓冲区”中的上下文信息，实现 非局部远程跳转。
• 任务互斥：
任务间的互斥是一种间接作用，由于内存中的多 个任务要求共享某一资源，而有些资源必须互斥，因 此各任务之间只能竞争使用这些资源。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
6、临界资源（Critical Resources）与临界区（Critical Section） 从上面的分析可以看出，任务间的互斥涉及到共
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
5.1 基础知识
5.1.1 概述 （介绍以下几个基本概念）
1、协作式与抢占式OS 2、用户任务（User Task）与系统任务（System Task） 3、并发性（Concurrent）与调度（Scheduling） 4、任务状态 5、任务之间的关系 6、临界资源（Critical Resources）与临界区（Critical Section） 7、上下文切换（Context Switch） 8、可重入性（Reentrant）
与中止函数about()和退出函数exit()相比，初看 起来，goto语句处理异常更可行，但是，goto语句 只能在函数内部跳转，即不能从一个函数直接跳转 到另一个函数。
为此，标准C函数库提供了setjmp()和longjmp() 函数，setjmp()函数相当于非局部标号，longjmp() 函数相当于goto的作用，从而解决了从一个函数直 接跳转到另一个函数的问题，即非局部跳转。头文 件<setjmp.h>申明了这些函数及同时所需的jmp_buf 数据类型。
如下图所示：
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统 时间轮询调度为每个任务提供同份额的cpu执行
时间。由于纯粹的时间轮询调度不能满足实时性系统 要求，取而代之的是基于优先级抢占式调度扩充时间 轮询调度，即对同样优先级的任务使用时间片获得相 等的cpu分配时间，不同优先级的具有抢占权。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
就绪状态 ；运行状态； 阻塞状态
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
就绪状态：当一个任务创立并准备运行时，内核将其放入 就绪状态。但不能运行，因为有一个更高优先级的任务在 执行，内核调度器根据优先级决定哪个任务先迁移到运行 状态，但处于就绪状态的任务不能直接迁移到阻塞状态。
运行状态：操作系统可让处于运行状态的低优先级任务暂 停运行，转而执行另一个处于就绪状态的高优先级任务， 这样正运行的任务就从运行状态迁移到了就绪状态。
SP
变化。
addr15~addr8
addr7~addr0
图 5.7
上下文信息 23
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
4、恢复调用环境
longjmp也是C标准库中的一个函数，longjmp表示回
到跳转缓冲区jmp_buf类型数组environment变量记录的
位置，恢复setjmp调用所保存的变量bp的当前值、堆栈
名称 所属类别
格式 输入参数
表 5.1 setjmp()函数
setjmp() 流程控制 #include<setjmp.h> int setjmp(jmp_ buf environment) environment：用于保存当前环境的jmp_buf数组 21
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
bp是在SDCC中定义的一个虚拟寄存器，用于 简化重入操作。书P186，对局部变量与bp做了描述 说明以及在堆栈中的变化如下图所示，可参考。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
1、协作式与抢占式OS
在操作系统的发展过程中，先后有2种形式的多 任务管理机制，即协作式与抢占式。
协作式：如果任务切换的时机完全取决于正在运 行的任务，那么这样的操作系统就是协作式多任务操 作系统。即任务执行时的权利比操作系统还大，只有 等正在运行的任务完成后，才会将控制权交给操作系 统，此时才能执行下一个任务。一旦某个任务运行出 错，则导致整个系统挂起（Pending）。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
在实际的应用中，大多数嵌入式实时操作系统 （RTOS）内核支持两种普遍的调度算法：基于优先 级的抢占式调度和时间轮询式调度。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统 采用基于优先级“抢占式”的调度算法，就意味
着一个“已经就绪的高优先级任务”可以剥夺另一个 “正在运行的低优先级任务”的运行权而进入运行状 态。
图5.4 任务执行状态图
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
5、任务之间的关系 由于内存中可同时存在多个任务，且任务之间可能
存在直接和间接的相互作用关系。 直接作用只发生在相关任务之间，其相互之间的联
系是有意安排的，它们需要相互协作来共同完成一个任 务。
间接作用是指任务之间因为某种中介（如共同使用 同一设备）而发生了一定的关系，也就是说，它可以发 生在相关任务之间，也可以发生在无关任务之间。
当使用操作系统时，如果将这些“可执行的程序 单元”进行分类，即可得到在操作系统调度下的“用 户任务”。此时，任务之间的信息传递是通过“异步” 的方式来完成，即由操作系统的各种“通信”机制来 实现，比如，信息量与消息邮箱等。
与上述任务不同，操作系统有自己的“系统任 5
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抢占式：如果任务优先运行的决定权取决于操作 系统，而且即使有一个任务死掉，而系统仍能正常工 作，那么这样的操作系统就是抢占式多任务操作系统。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
2、用户任务（User Task）与系统任务（System Task） 在单片机应用系统设计中，为了提高系统的透明
性、可移植性和强壮性，常将一个应用程序分解为许 多“可执行的程序单元”。在监控模块的管理下，以 “实参”和“形参” 形式完成各模块之间的调用和返 回。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
7、上下文切换（Context Switch）
当硬件机制决定接受哪个中断时，则当前指令 流暂停，转而执行一个上下文切换，而后cpu从执 行当前指令流转换到执行另外的指令流。这种在中 断发生时执行的替换指令集就是中断服务程序。
将被中止的任务的“上下文信息”保存到“堆 栈”中，当任务在重新运行时，则要将堆栈中的 “上下文信息”在恢复到cpu的各个寄存器中，通 过这样的上下文切换，可实现cpu的“无缝”接续 运行。
4、任务状态 无论用户任务还是系统任务，在如何时候，每个
任务至少包含：就绪（ready）、运行（running）、阻塞 （blocked）在内的状态。随着实时系统的运行，每个 任务根据简单的有限状态自动机（FSM）逻辑，从一 个状态迁移到另一个状态。
虽然内核可以定义多个任务状态组，但典型的OS 中至少有3个主要的状态：
SP=SP+4
a
SP=SP+3
a
b
b
c
c
bp
bp原值
函数返回地址1 SP 函数返回地址1
SP
函数返回地址0
函数返回地址0
SP 函数返回地址1 函数返回地址0
(a)进入函数后
(b)定义了3个变量
(c)使用bp访问变量
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
3、jmp_buf
由于jmp_buf主要用于保存当前调用的上下文信
从另一个角度来看任务间的相关关系，可以将任务 之间的关系提炼为同步（Synchronization）与互斥 （Exclusion）两种。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
• 任务同步：
任务间的同步是一种直接作用，任务同步是指系 统中的多个任务之间存在某种时序关系，需要相互协 作才能共同完成一个任务。比如，一个任务运行到某 个时间点时，需要另一个任务为它提供消息，在未获 得消息之前，该任务处于阻塞状态，获得消息后被唤 醒进入就绪状态。
息，为相应的longjmp调用作为返回地点标记，因此
保存在缓冲区jmp_buf中的上下文信息，至少包括变
量bp的当前值、堆栈指针的当前值（sp）、高8位和
低8位返回地址addr15~addr0。
其中的bp是在SDCC51
environment
中定义的一个虚拟寄存器，
Jmp_buf [4]状态：当任务已经请求一个还不能用的资源，或已经 请求等待某些事件的发生，或自身要延时一段时间，则任 务都从运行状态迁移到阻塞状态。如果没有阻塞状态，那 么较低优先级的任务将不能运行；如果更高优先级的任务 没有设置成阻塞状态，则可能导致cpu处于饥饿状态。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
3、并发性（Concurrent）与调度（Scheduling） 调度器是每个内核的心脏，调度器提供决定何时
执行何任务的算法。为了满足实时性要求，当有多个 任务均处于就绪状态时，嵌入式实时操作系统可以让 “一个已经就绪的高优先级任务”抢占另一个“正在 运行的低优先级任务”的运行权而进入运行状态。
如下图所示，任务A运行中，被任务B抢占而进 入执行状态。它们的运行时间有重叠部分，这种运行 方式称之为“并发运行”。
指针值 和函数的返回地址addr15~addr0，转移到setjmp
调用处继续执行。
表 5.2 longjmp()函数
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统微小内核
• 5.1 基础知识 • 5.2 最简单的多任务模型 • 5.3 协作式多任务操作系统 • 5.4 时间片轮询多任务操作系
统 • 5.5 信号量
第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
本章说明：
操作系统（OS）是计算机专业的一门专业基础 课，理论教材比较抽象。
本章所学内容是从80C51单片机应用出发，主要 介绍一个基于80C51系列单片机，且全部使用C语言 编写的开源操作系统微小内核——TinyOS51 ，其目 的是帮助大家建立与操作系统有关的基本概念，如： 任务，上下文与可重入性，任务的并发性与调度， 以及信号量与消息邮箱的实现机理与程序设计基础， 为今后深入学习专业级的操作系统与应用技术做好 铺垫。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
2、保存调用环境
下表所示的setjmp是C标准库中的一个函数， setjmp使用jmp_buf类型数组environment变量来记录现 在的位置，即变量bp的当前值、堆栈指针值(SP)和函 数的返回地址addr15~addr0，供以后longjmp恢复该环 境时使用。bp是在SDCC中定义的一个虚拟寄存器，用于简化重入操作。
享资源的竞争使用，因此竞争使用这些资源的任务在 执行使用这些资源的程序时也会受到一定的限制，从 而也就引出了临界资源与临界区的概念。 （1）临界资源
在操作系统中，将一次只允许一个任务（中断） 使用的资源称之为临界资源。 （2）临界区
在操作系统中将并发任务中访问临界资源的程序 称之为临界区，临界区也常叫做互斥区。
一般来说具有可重入性的函数应该只使用局部变 量，因为函数的局部变量保存在cpu内部的寄存器或 堆栈中，这样调用同一个函数时不会发生冲突。如果 函数一定要使用全局变量，那么必须对使用的全局变 量进行必要的保护。由此可见，C编译器也应该具有 产生可重入代码的能力。
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调度器从一个任务切换到另一个任务所开销的
时间则称之为上下文切换时间。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
图5.5 上下文切换示意图
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
8、可重入性（Reentrant）
由于任务的并发性，因此经常会出现调用同一个 函数的情况，如果一段程序可以被多个任务同时调用， 而不必担心数据被破坏，那么这样的程序就是可重入 的程序。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
1、非局部远程跳转 要实现非局部跳转，都可以使用<setjmp.h>，该
头文件提供了以下必须的机制： • jmp_buf是一个数组类型变量，可将它当做“标号” 数据对象类型来看待，用于存放恢复调用环境所需要 的上下文信息。 • setjmp将程序的上下文信息保存到跳转“缓冲区 （jmp_buf类型的数组）” ，当稍后调用longjmp时， 将保存在缓冲区中的上下文信息作为返回地点标记； • 无论在何地调用longjmp，将恢复最后一次由 setjmp调用保存在“缓冲区”中的上下文信息，实现 非局部远程跳转。
• 任务互斥：
任务间的互斥是一种间接作用，由于内存中的多 个任务要求共享某一资源，而有些资源必须互斥，因 此各任务之间只能竞争使用这些资源。
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
6、临界资源（Critical Resources）与临界区（Critical Section） 从上面的分析可以看出，任务间的互斥涉及到共
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第5章 TinyOS51嵌入式操作系统
5.1 基础知识
5.1.1 概述 （介绍以下几个基本概念）
1、协作式与抢占式OS 2、用户任务（User Task）与系统任务（System Task） 3、并发性（Concurrent）与调度（Scheduling） 4、任务状态 5、任务之间的关系 6、临界资源（Critical Resources）与临界区（Critical Section） 7、上下文切换（Context Switch） 8、可重入性（Reentrant）