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✨ 简介

一个面向 Cortex-M3/M4 的轻量级简易 RTOS(学习/教学/自研内核实验用)

CasyOS 是一个用于学习 RTOS 内核原理的及其简易的轻量级实时操作系统。 目前支持 Cortex-M（带 PendSV/SVC/SysTick）平台的基础抢占式调度、任务延时、内建 IPC（信号量 / 消息队列 / 事件标志组 / 互斥量）等功能。

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🎯 适用场景

• 学习 RTOS 的核心机制：调度器 / 上下文切换 / PendSV / SysTick / 临界区 / IPC
• 课程设计、比赛项目的简易内核
• 裸机项目希望引入“轻量任务管理”但不想用大型 RTOS 的情况

⚠️ 注意：本项目主要定位为学习型 RTOS，不以工业级完整性为目标（例如：时间片、多核、MPU隔离、完善的错误码体系等）。

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📁 项目结构（示例）

CasyOS/
├─ os_cfg.h            # 用户可以修改此文件来裁剪功能
├─ CasyOS.h            # 所有API声明在同一个头文件中
├─ CasyOS.c            # 内核核心：调度、异常、上下文切换
├─ os_task.c           # 任务管理/就绪队列/优先级位图
├─ os_tick.c           # Tick 延时链表与 tick 更新
├─ os_pend.c           # PendList 通用挂起队列操作
├─ os_mem.c            # 内存管理
├─ os_sem.c            # 信号量
├─ os_mutex.c          # 互斥量
├─ os_q.c              # 消息队列
└─ os_flag.c           # 事件标志组

为了方便、简易，这里不做复杂的文件结构

注意 由于个人习惯 所有代码都是2空格缩进 请调整相应设置达到更好的观看效果

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🧱 系统架构总览 Architecture

CasyOS 的核心由三部分组成：

1. 异常驱动的任务切换机制
   • SysTick：产生 OS Tick（节拍）
   • PendSV：完成上下文切换
   • SVC：启动第一个任务
2. 调度器 Scheduler
   • 维护“就绪任务集合”
   • 选择最高优先级任务运行
   • 在任务态：立即触发 PendSV
   • 在中断态：置位调度标志，统一在 OSIntExit 触发 PendSV
3. 内核对象 Kernel Objects（IPC）
   • 信号量 / 互斥量 / 消息队列 / 事件标志组
   • 每个对象都维护自己的挂起队列（Pend List）
   • 唤醒时遵循“优先级最高任务优先”原则

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🔁 核心流程 Core Flow

1) 系统启动流程

OSStart()
 ├─ 注册 IdleTask（最低优先级）
 ├─ 配置 SysTick = 1ms
 ├─ 配置异常优先级（PendSV 最低）
 └─ 触发 SVC -> 启动第一个任务

2) Tick 驱动流程（SysTick）

SysTick_Handler()
 ├─ OSIntEnter()
 ├─ OS_TickUpdate()      // 延时任务 tick 递减
 ├─ OS_Sched()           // 请求调度
 └─ OSIntExit()          // 统一触发 PendSV

3) 任务切换流程（PendSV）

PendSV_Handler()
 ├─ 保存当前任务上下文（R4-R11 + S16-S31 + LR）
 ├─ 保存 SP 到当前 TCB
 ├─ OS_UpdateCurrentTask()  // 选择最高优先级任务
 ├─ 恢复下一个任务 SP
 └─ 恢复下一个任务上下文并返回

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🧩 任务模型 Task Model

任务控制块（TCB）

每个任务由 OS_TASK_HANDLE 描述，核心字段包括：

• stackTop / stackBase / stackSize：任务栈信息
• priority：优先级
• state：任务状态（READY / PEND / DELAY 等）
• tick：延时计数
• pendObj：当前挂起等待的对象指针
• rdyNextPtr/rdyPrevPtr：就绪链表指针
• tickNextPtr/tickPrevPtr：延时链表指针
• 内建对象（可选）：
  • sem（信号量）
  • msgQueue（消息队列）

任务状态（简化）

READY  : 可运行（在就绪队列）
PEND   : 等待某对象（在对象挂起队列）
DELAY  : 延时中（在延时队列）

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🧠 调度策略 Scheduling Policy

• 固定优先级抢占式调度
• 调度触发来源：
  • SysTick Tick 到来
  • IPC Post 导致更高优先级任务就绪
  • 任务主动 Delay / Pend
• “中断中不直接切换任务”原则：
  • ISR 内只置位 g_OSSchedFlag
  • 统一由 OSIntExit() 触发 PendSV

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🧵 临界区设计 Critical Section

CasyOS 使用 BASEPRI 实现临界区：

• OS_ENTER_CRITICAL()：设置 BASEPRI 屏蔽部分中断
• OS_EXIT_CRITICAL()：恢复 BASEPRI

当前版本：临界区尚未实现嵌套计数（可扩展为保存/恢复 BASEPRI 的栈式结构）。

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📦 IPC 设计框架 IPC Design

1) 挂起队列 Pend List

CasyOS 的同步对象采用统一挂起机制：

• 任务在等待资源时：
  • 从就绪队列移除
  • 插入对象的挂起队列
  • state = OS_TASK_PEND
  • pendObj = 对象指针
• 资源释放时：
  • 从挂起队列中选出最高优先级任务
  • 移出挂起队列并加入就绪队列
  • 触发调度（必要时抢占）

2) 信号量 OS_SEM

• 支持二值/计数语义（基于计数值）
• Post：
  • 若有等待者 -> 唤醒最高优先级等待任务
  • 否则计数加 1（不超过上限）
• Pend：
  • 若计数>0 -> 直接获取并返回
  • 否则挂起当前任务

3) 互斥量 OS_MUTEX（支持递归）

• ownerTcb：当前持有者
• lockCnt：递归加锁次数
• Pend：
  • 空闲 -> 直接获得所有权
  • owner 是自己 -> lockCnt++
  • 被别人占用 -> 挂起
• Post：
  • lockCnt-- 到 0 才真正释放
  • 若有等待者 -> 转移所有权给最高优先级任务

当前版本未实现优先级继承（Priority Inheritance），后续可扩展。

4) 消息队列 OS_Q（内建环形缓冲区）

• 每个任务可拥有自己的 msgQueue
• 发送为 4 字节消息（u32）
• Post：
  • 若目标任务正等待该队列 -> 直接投递到 TCB 临时缓存并唤醒
  • 否则写入环形队列
• Pend：
  • 若队列非空 -> 取出返回
  • 否则挂起当前任务等待消息

5) 事件标志组 OS_FLAG

• flags：32 位标志寄存器
• 支持等待模式：
  • SET_ALL / SET_ANY
  • CLR_ALL / CLR_ANY
• Post：
  • 修改 flags
  • 若挂起队列存在匹配任务 -> 唤醒最高优先级匹配者
  • 对 SET 等待者支持“消耗标志位”（自动清零）

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🗺️ Roadmap（可扩展方向，尚未实现）

• 临界区嵌套支持（BASEPRI 保存/恢复）
• 优先级继承（Mutex PI）
• 时间片轮转（同优先级多任务）
• 软件定时器（Timer）
• 事件队列/发布订阅机制
• 更完善的错误码体系（OS_ERR_xxx）
• Trace/统计（CPU 利用率、上下文切换次数）

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📜 License

MIT License

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🙌 参考

• ARM Cortex-M 异常机制：SysTick / SVC / PendSV
• 参考学习：uC/OS、FreeRTOS 等经典 RTOS 的设计思想

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📬 联系方式

作者：Chill 邮箱： 2540483197@qq.com 欢迎提交 Issue / PR，一起完善这个学习型 RTOS ✨