OS21操作系统——概述
1.OS21概述
OS21是一个免费、轻量级的多任务实时操作系统，基于OS20 API设计，使用GNU工具进行编译，gdb进行调试。目前OS21主要用于ST公司的机顶盒主芯片（ST40/ST200）中，与应用程序一道生成单一映象文件，具有相同的地址空间与名字空间，以及相同的特权模式。
OS21采用了多优先级、占先式的任务调度算法，任务之间使用信号量、互斥锁、事件标签进行同步；使用消息队列进行通信。实时事件由中断处理，并使用信号量与任务通信。任务所需的内存分配方案由用户选择，任务优先级可指定。提供的主要功能有：
（1）基于256级的多优先级、可占先式调度；
（2）信号量（semaphores）；
（3）互斥锁（mutexes）；
（4）消息队列（message queues）；
（5）高精度定时器；
（6）存储管理；
（7）中断处理；
（8）节省存储空间。
从性能上讲，OS21提供的任务间切换时间小于2.6us，中断响应时间最小为1.5us，整个代码小于30KB,数据小于5KB。
OS21使用面向对象编程风格，每个主要的OS21系统服务由一个类来表示，例如：存储分区、任务、信号量、互斥量等。类的实例被分配在系统分区或用户自定义分区中，不使用时需要回收其占用空间。
2.OS21与OS20的异同点
OS21与OS20提供的系统服务比较相似，调用的API函数名称也很相似，具体来说包含下列API：
(1) Kernel API
(2) Memory and partitions
(3) Tasks and scheduler APIs
(4) Semaphore API
(5) Memory API
(6) Time API
但OS20针对ST20 CPU进行开发，OS21则针对ST40 CPU进行开发，二者在BSP部分存在较大不同。
头文件：与OS20相比，OS21采用了意义更明确的头文件。如下：
内核启动：OS20提供了两种方式来启动内核：手动和自动方式（在编译时通过添加 -runtime os20实现），OS21通常只使用手动方式来启动内核。尽管也可实现自动启动。
int main(void)
{
kernel_initialize(NULL);kernel_start();
kernel_timeslice(OS21_TRUE);
...
}
OS21的时间片功能缺省为关闭，要使用时需要手动打开。
任务方面：与OS20相比，当改变任务的优先级时，该任务在队列中的位置也发生了变化。
OS20使用了两个预定义的内存空间——system_partion与internal_partion，用户也可访问，在OS21中则没有这两个空间，而需要自行分配。在OS21中的堆内存既可由C运行库函数（malloc和free）管理，也可由OS21自身管理。
通常情况下OS20中所有的_init()函数均被_create()所代替，尽管_init()函数的优点在于内存分配的灵活性，OS21采取了一个不同的解决办法来增加灵活性：除了_create()函数外，还增加了_create_p()函数来定义partition指针。这在存储空间紧张的系统中，可由应用程序自己选择从哪块空间中分配。如图：下列_init()函数都将由_create()或_create_p()函数代替。
message_init_queue()
message_init_queue_timeout()
partition_init_fixed()
partition_init_heap()
partition_init_simple()
semaphore_init_fifo()
semaphore_init_fifo_timeout()
semaphore_init_priority()
semaphore_init_priority_timeout()
task_init()
中断和缓存：OS20的中断和缓存API与ST20的中断缓存体系结构紧密相关，其目的是为了完全使用上硬件的特性。在缓存的设计上，OS21遵循了与OS20一样的设计思想，即根据具体芯片设计，每款芯片都有不同的API，当然也不同于OS20。而OS21提供的中断则具有通用性，可在不同芯片间移植，这一点不同于OS20。二维块数据移动：由于二维块数据移动严格与ST20芯片结构相关，OS21已去掉了这方面内容。
时间管理：在OS21中，时钟由64位的整型osclock_t表示，而在OS20中则为32位的整型类型clock_t。
此外，OS21还提供了一些OS20所不具备的功能：例如task event flag等。
3、内核介绍
内核始终维护下列信息：
1） 当前正在运行的是哪一个任务；
2） 当前准备运行的一个任务队列。
当需要作出调度决策时，该内核被调用，总的来说有下列四种情形：
1）低优先级的任务被高优先级的任务占先；
2）当一个任务停止调度，例如当该任务等待的消息队列为空时，此时内核会检查任务队列 ，选择优先级最高的任务投入运行；
3）调度器会周期性地分时检查当前执行的任务，如果有与该任务同等优先级的任务，则会 选择处于前列的任务投入运行，而备份当前任务状态；
4）当一个中断结束，此时没有其他低优先级的任务运行，内核被调用
通过调用下列函数来开启内核。
Kernel_initialize（）与kernel_start（）函数一般在main函数体中，且只能被调用一次。其中kernel_initialize（）初始化任务和队列数据结构，当数据结构被创建后，当前正在调用的任务被初始化为root任务，并具有最高优先级，在该任务中会调用bsp_initialize(）。调用kernel_initialize（）会设置所需的内存空间，如果sys_heap_base为NULL，则sys_heap_size为空，OS21会调用malloc来分配空间，否则会调用memory_allocate（）来分配。如果system_stack_base为NULL，system_stack_size为0，则OS21会从系统heap中分配堆栈空间，其大小为缺省值。
Kernel_start（）在kernel_initialize（）之后，在任何任务被创建之前被调用，用于开始占先式的任务调度策略。该函数也会调用bsp_start（）。
kernel_start()的关键代码如下:
int kernel_start (void)
{
if (_kern_state == KERNEL_STATE_UNINITIALIZED)
{
return (OS21_FAILURE);
}
......
if (_kern_state == KERNEL_STATE_INITIALIZED)
{
_scheduler_start ();
_interrupt_start ();
_md_timer_start ();
atexit (_kernel_shutdown);
bsp_start ();
_md_kernel_start_system ();
_kern_state = KERNEL_STATE_STARTED;
}
OS21_TRACE((TRC_KERNEL, "kernel started OK"));
return (OS21_SUCCESS);
}
这里依然用到了静态变量KERNEL_STATE_UNINITIALIZED，为真时会开启优先级调度器（这里开启了一个优先级为0的空闲任务，使得调度器开始运行），中断服务初始化、开启定时器中断，并注册退出时的回调函数等。还增加了一个静态变量KERNEL_STATE_STARTED表示kernel开始运行。_md_kernel_start_system（）用于使一些底层代码得以运行。
OS21中开启/关闭时间片轮转通过显式调用kernel_timeslice（）来实现，如下：
void kernel_timeslice (int on)
{
OS21_TRACE((TRC_KERNEL, "timeslice %s", on ? "on" : "off"));
if (on)
{
_md_timer_timeslice_on ();
}
else
{
_md_timer_timeslice_off ();
}
}
比如_md_timer_timeslice_on（）用于打开时间片轮转功能，该函数实际上是设置芯片的PLL定时复位寄存器，超时时间即为时间片大小，具体参见CPU芯片手册。
此外，关于kernel的时间方面的API，还有kernel_idle（）与kernel_time（），前者获得idle任务所运行的时间，后者获得kernel运行的总时间。
系统框架图示：
主要特性如下: