最小“非抢占”系统调度服务的必须功能--理念讨论贴，小白发贴，欢迎各位高手及小白

139182***

蜗*** 发表于 2024-5-13 20:42
不懂RTOS,感觉能实现这样的功能大多数产品也够用了

我也的确希望对于一般的软实时应用够用，
理想状态下，开发者善用纤程设计模式，控制最大纤程体单次进入时间
也可达到特定阀值的硬实时。

139182***

杨*** 发表于 2024-5-13 23:21
等待你的“FOP51”研究结果

目前多任务切换STC8H为20uS的水平，纤程切换应该可以小于1uS

我还在想是否用 宏方式 LJMP with mini contex save 方式替代 LCALL, 从而减少PUSH/POP
毕竟 LCALL/ACALL 虽然只是2周期，但是它压入栈的PC, 要取出来替换还是挺重复的
而LJMP前直接压对应PC到FCB, 虽然多次宏调用增加了代码空间，但是，空间换时间是有效的
毕竟一个单片机代码中，主动阻塞代码是有限的，一个任务中最多也就几个，增加几十~几百个bytes flash还是合算的，宏是不用不占空间。

由于Fiber历来是协作式的，那么FCB 比 TCB要少一些控制
而协作式的多任务，中断也不用记录嵌入层次，中断代码内也不用加对应宏

这么一来一去，应该可以少一些Code空间占用（不能所有库实现都用宏，还是有一个Fibers调度算子适合用LCALL)

至于1us, 的确也是我的目标，
因为切换用到Opcodes多为2周期
24M 1T, 不分频，1us是24周期
如果以20周期为目标，round-robin调度算子，可能是合适的。
如果要实现非抢占优先级，任务优先级再排序估计要额外的几十到几百个周期--所以非必要不要加这个了。

还没有太想清楚，摸着石头走走看，毕竟有些参照。

tzz1***

139182*** 发表于 2024-5-14 04:28
我还在想是否用 宏方式 LJMP with mini contex save 方式替代 LCALL, 从而减少PUSH/POP
毕竟 LCALL/ACALL ...

你的想法应该是操作指令直接跳转到另一个函数，
另一个函数处理完自己的事情以后，也可以跳转回来或跳转到其它函数。
这个是可以实现的，如果时钟为24M，1微秒完成保存断点和跳转应该也够了。
但是这个不保存上下文，限制比较大，只在顶级函数之间来跳应该没有问题。
谈不上通用OS，对于一些特定应用还是可以的。祝你成功

补充：
你参照一下TinyRTOS51，他在任务级跳转就是不保存上下文的，但是他保存了调用层次.
如果你只在顶层函数之间跳转，你可以连调用层次也不保存，只需要保存一个断点就可以了

139182***

tzz1*** 发表于 2024-5-14 08:37
你的想法应该是操作指令直接跳转到另一个函数，
另一个函数处理完自己的事情以后，也可以跳转回来或跳转 ...

的确如你所说：

顶层函数，--这个对应 FiberFunc, 类似 ThreadFunc这个层面
也就是说，其他函数应该不要调用阻塞服务函数比如fRead/fSleep之类

多个Fiber，每一个只处理一个事物，比如检测ADC按键，输出LCD1602但不NOP,　比如和上位机通讯等等

Fiber来自于有高并发（本质上还是伪并发）的用台态轻量线程，本质上就是非抢占的

由于少了抢占的需求，有些同步对象可能也就不需要

的确，从这个意义上，不是一个通用“抢占”操作系统服务

我对它定位就是轻（快）量级多任务运行库

至于上下文，如果FiberFunc函数只用static而不直接使用寄存器变量，而处理的IO各不相同。
而其Fiber关联的Fifo 或 DMA Fifo各不相同。那么的确不用保存.

唯一保留的就是　FCB中的 PC_EXT 和　WAIT_LISTS
WAIT_LISTS不属于上下文，因此断点就是唯一要保存的

tzz1***

139182*** 发表于 2024-5-14 09:21
的确如你所说：

顶层函数，--这个对应 FiberFunc, 类似 ThreadFunc这个层面

至于上下文，如果FiberFunc函数只用static而不直接使用寄存器变量，而处理的IO各不相同。
而其Fiber关联的Fifo 或 DMA Fifo各不相同。那么的确不用保存.

对于51来说，并非一定要用static, 我让你参照TinyRTOS51 也是想让你明白这个。
你只要有调用函数行为，所有寄存器，编译器都会认为会被新的函数更改，也就是说，
此时所有寄存器都是没有内容的。这个特性你可以利用

139182***

tzz1*** 发表于 2024-5-14 09:34
对于51来说，并非一定要用static, 我让你参照TinyRTOS51 也是想让你明白这个。
你只要有调用函数行为， ...

如果不用LCALL 编译器就不会认为是调用，
而即便不用register, keil c51还有overlay, 容易重用临时变量

所以，Fiber强调资源自管理。变量多在在static bytes/global fifo，或者干脆用IO系统Fifo

xiangz***

不小心看到这个东西,看了看感觉挺有意思:

C语言学习-ProtoThread
https://blog.csdn.net/qq_26226375/article/details/128833842

139182***

xiangz*** 发表于 2024-5-16 16:05
不小心看到这个东西,看了看感觉挺有意思:

C语言学习-ProtoThread

的确挺特别的，学习了

我设想还是要有一点点汇编的内容，从而可以突破传统的C函数调用的模式
毕竟工具只是工具，要为目标服务

传统上　ISR是不受C语言函数调用约束，而是硬件直接调用中断向量调用（STC8H以尽管支持多极中断）

而其他的函数如果没有多任务环境是中断前硬件保存断点PC到SP指向的位置，而RETI之前POP PC，然后继续原来断点执行。

而有多任务环境的情况下，ISR实际功能完成后，RETI(C return)前，可以调用一个任务切换
宏，替代单纯的RETI

这样可以选择：１.继续支持对应ISR的IST(中断服务用户态任务）2. 做一次任务列表状态更新，以便选择需要断点续行的任务（每个任务的都有自己的断点和状态，是TCB/FCB的重要内容）

而非抢占系统调度，在没有中断发生的情况下，不会主动剥夺任务执行，除非tick中断到来

而任务要主动放弃当前Tick， 可以(类似linux) Sleep(0), 或其他阻塞函数（这个还在梳理细节）

FOP51目的也是一个轻量的多任务环境，类似Fiber的概念.

由于要更多了解Keil C51的一些特性，也在学习比较其他大牛的作品，有些内容还在设计中。。。（不想加太多概念特性）

进度比我希望的慢不少，汗。。。

139182***

FOP51理念清单：
0. 8051上的单核多任务（快速轻量）内核。第一版本代号 QR51(使用队列为主要运行同步手段，谐义: 快跑51)
    对应传统意义上硬实时操作系统的部分功能，支持ISR, IST, Fiber (Task) 三层用户程序。
    在没有处理器不同特权级别和MMU等额外运行态情况下，支持多信号源的硬实时应用。
    但其中不包含文件系统，图形界面，抢占式多任务调度，并发锁，多值信号量等一些常见于现代操作系统的必要组件
    临界区也用QR51的内核对象Queue来替换。
    由于没有特权级，QR51是应用程序全可见的运行核心，比较传统操作系统更类似用户态多任务运行库，类比于传统的Fiber.

    QR51在增强型51最小系统(128+ RAM; 1024+ XRAM; 4K+ flash; 4级中断; 可选DMA支持), 支持硬实时，支持60%CPU负载长时运行
   
1. 硬实时，对于定义的事件，均有一个最大响应时间，且不超时。举例如下
     例1：UART2信令第一时间入列，并在1ms解析并做出应答。
     例2：ADC按键在1ms内应答（被记录成按键事件并入列）。
     例3：LCD1602每20ms完成一次刷新
     例4：LED指示灯每500ms完成一次刷新
     。。。
2. ISR 中断服务程序，用户可以自由定义使用，而无须顾忌FOP51的限制
3. IST 中断服务例程，用户通过QR51  API定义使用，FOP51会使用优先级调度在每次ISR发生后，调用一次对应IST，
    QR51的IST为短时任务，不能包含无限循环
4. Fiber 用户任务，是一个无限循环的长时任务，可以通过QR51 API qRead主动切换，或者到达时间片被QR51调度切换
    主动切换 qRead (qid, timeout)：qid 内核对象id, 0表示单纯sleep timeout;  timeout要休眠时间，0表示当前时间片，FF表示尽快返回，其他为具体时间）
    (*51上 LCALL/ACALL包含PC压栈和跳转3周期，LJMP也是3周期，因此放弃之前用包含LJMP的宏调用的设想）
5. 无锁同步，由于目标是轻快，而且Fiber是协作式非抢占调度，因此在同步方式上用队列同步，而不是传统的互斥/信号量/临界区/并发锁等工具。

139182***

13918210822 发表于 2024-5-22 10:05
FOP51理念清单：
0. 8051上的单核多任务（快速轻量）内核。第一版本代号 QR51(使用队列为主要运行同步手段 ...

在写这个多任务的平台的过程中, 也加深对多任务在小资源CPU上的理解,
随笔记录， 版本针对8位平台，以后再拓展，至少目前8位平台成熟度性价比更好

Cx51不是标准C, 因为它尽可能少使用栈，从而节约硬件栈的使用(51  SP(IDATA <= 256 Bytes))
而多任务的现场决定每个任务运行栈都要是 存续 的， 任务切换出切换进， 任务本身不能有差异，因此，除了ALU和通用寄存器，最重要的是栈要存续。

51历史上20年前陈明计写了SmallRtos, 到最近版友Fanxsp写的TinyRtos, 以及CosyOS和UC/OSII的一些移植版本都让一个 idata空间只有256B的CPU能跑多任务

采用了主栈搬栈的做法，让活动任务占最大剩余空间，这是一个最合理的做法

但是搬栈也有不确定的工作量和时钟消耗，对于任务切换来说，这也是主要的开销之一，任务现场镜像ESI（STACK, Registers)如果不搬栈那么就会快很多
加上主动切换可以等同于函数调用(Cx51编译器保证LCALL之后的代码不会依赖之前的寄存器，所以可以看到SRC中只有interrupt中断代码有寄存器组缓存恢复的指令

后来我发现不止我在动这个脑子，其他版友也多有这个想法，只不过我用的不是单纯的8051, stc8h指令集中直接和间接访问data/idata几乎是一样快的


因此，只要管理好中断嵌入状态和中断代码对压栈的需求，任务栈并不会很大，只需要 2*(调用树+多极中断+NMI)就可以，
为了实现这个，我把中断ISR分成了ISV+ISH+IST三部分，ISV帮助ISH完成了通用的寄存器缓存恢复，IST则公用内核栈。具体过程以后慢慢写。

更重要的是，stc8h上xdata至少也有1k以上，任务内存需求大部分都可以搬到xdata中去
这样，除了0x2F之前的data, 后面除了用户节约下也必用的一点data, 其他都可以用作idata(stacks for tasks) 从 ?STACK开始到0xFF

因此，这就让各任务独立拥有栈成为可以，但是这又限制stc8h上任务数不可能太多，比如32bytes一个任务栈，系统栈64bytes, 一个stc8h最多也就3~5个任务
这也要求编写Q51任务代码的工程师要合并一些业务逻辑到3~5个任务中去

但是，这个限制如果放在edata>2k的32位251上，就不太成为制约。

总之，Q51这个多任务平台，采用不搬栈的方法，任务切换<1us成为了可能。
如果最后是nus, 那么n-1 us基本上是任务仲裁和执行统计的开销，如果采用简单的任务仲裁算法，1~2us的任务切换时间是有保障的

实现上，我发现由于不采用延迟中断切换的模式(ARM流行的PendSV异常状态切换）
任务主动切换的ESI是最小的，也是最快的
抢占切换的开销也没有想象的那么大，大致等同于一次中断处理，但不是在中断中切换。


相反，搞脑子最多的是把ISR分成 ISV+ISH+IST, 其中IST是中断中要处理的逻辑在任务态中执行的部分
虽然麻烦，但是因为缩短了中断时间，从而为硬件中断响应能力提供的保障。也算利大于弊

虽然，很慢很慢才接近于0.1完成，但是从中确实学到很多，原先不明白CPU演变的一些理由，也多了些理解，其实老外也是软硬件协同发展的

给自己加油。。。

参考了版友的不少代码，特别是TinyRTOS, 谢谢各位分享