Käyttöjärjestelmä AVR-mikro-ohjaimelle

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa Atmel AVR mikro-ohjaimella toimiva yksinkertainen käyttöjärjestelmä. Käyttöjärjestelmän ominaisuuksiin haluttiin sisällyttää laitteistopohjaisella keskeytyksellä toimiva vuorottaja, joka jakaa suoritinaikaa ajossa oleville ohjelmille. Lisäksi käyttöjärjestelmä tarjoaa tarvittavat palvelut ajossa olevien ohjelmien väliseen synkronointiin. Kaikkien käyttöjärjestelmän palveluiden suoritukseen kuluva aika on ennakoitavissa, joten kyseessä on reaaliaikainen moniajokäyttöjärjestelmä.

Käyttöjärjestelmä toteutettiin kokonaan assemblyllä, eli symbolisella konekielellä. Se kehitettiin GNU/Linux-ympäristössä GNU-projektin assemblerin, debuggerin ja Emacs-tekstieditorin avulla. Käyttöjärjestelmän toimintojen testaamista varten toteutettiin lisäksi C-kielisiä testiohjelmia. Tällä haluttiin havainnollistaa assembly- ja C-kielten yhteiskäyttöä, käyttöjärjestelmää hyödyntävä ohjelmoija voi toteuttaa sovelluksensa valitsemallaan ohjelmointikielellä.

Käyttöjärjestelmään pyrittiin sisällyttämään vain ehdottoman tarpeellisia toimintoja, jotta sen rakenne pysyisi mahdollisimman selkeänä ja lähdekoodin luettavuus hyvänä. Lisätoimintoja, joiden tarpeellisuudesta ei ollut täyttä varmuutta, pyrittiin välttämään, mutta samalla pyrittiin ennakoimaan järjestelmän tuleva laajentaminen lisätoiminnoilla ja eri suoritinarkkitehtuurien tuella. Tavoitteena oli, että kaikkien järjestelmään sisällytettyjen toimintojen olemassaolo on perusteltua.

Opinnäytetyön aihe valittiin, koska haluttiin oppia ymmärtämään käyttöjärjestelmän toiminta ja myös käytännön toteutus alusta lähtien. Samalla haluttiin oppia hieman monimutkaisemman ohjelman toteuttaminen puhtaasti assembly-kielisenä sekä assembly- ja C-kielen yhteiskäyttö samassa projektissa.

The goal of this thesis was to design and implement a simple operating system for Atmel AVR microcontroller. The plan was to implement a pre-emptive scheduler based on hardware interruption services of the AVR microcontroller, that would share processing time to tasks running on the operating system. Basic synchronization primitives like signals and semaphores were also desired features. It is possible to predict deadlines of every service that operating system provides, therefore it is a multitasking real-time operating system.

The operating system was written completely in assembly language. It was designed in a GNU/Linux environment using assembler, debugger and Emacs text editor of GNU project. Small test applications were also written in C programming language. The reason for using C was to demonstrate using combination of assembly and C languages together in same project, developer using the operating system may implement his/her applications in higher level language if they seem more suitable for the task.

Only necessary features were incorporated in first version of the operating system, so it's structure would be as clear as possible and readability of the source code would not suffer from overly complicated design. Questionable features were avoided, but it should be easy to add more features and support for other processor architectures during future development of the operating system.

The reason for this kind of thesis subject was to learn operation of operating system in theory and practice. Second goal was to learn an implementation of moderately complex application written completely in assembly language.