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【RT-Thread笔记】内核基础

最近在工作中有用到多任务系统,趁热进行学习一下。这里我选择国产实时操作系统RT-Thread进行学习,因为现在很火呀。之前已经有简单地过了一遍RT-Thread,奈何学过地知识一旦不用,就会很容易地忘掉,所以应当多做一些学习笔记~

RT-Thread简介

RT-Thread,全称是 Real Time-Thread,顾名思义,它是一个嵌入式实时多线程操作系统,基本属性之一是支持多任务,允许多个任务同时运行并不意味着处理器在同一时刻真地执行了多个任务。

事实上,一个处理器核心在某一时刻只能运行一个任务,由于每次对一个任务的执行时间很短、任务与任务之间通过任务调度器进行非常快速地切换(调度器根据优先级决定此刻该执行的任务),给人造成多个任务在一个时刻同时运行的错觉。

RT-Thread 的架构

RT-Thread 与其他很多 RTOS 如 FreeRTOS、uC/OS 的主要区别之一是,它不仅仅是一个实时内核,还具备丰富的中间层组件,如下图所示:

RT-Thread提供了一些网络组件及软件包,我们可以运用这些软件包很方便地与云端进行通讯。因此,RT-Thread是一个物联网操作系统(IoT OS)。

RT-Thread的架构由四层组成:硬件层、内核层、组件层、软件包。其中硬件架构现在最常用的就是ARM架构,但是,同样值得关注的是RISC-V架构,这个势头很猛。本篇笔记我们着重关注内核层。

分层的思想在我们软件方面来说是个很重要的思想,相邻层之间通过一些API接口进行交互,跨层之间不会互相影响。此处,硬件层无论用哪一种架构,上面的组件层及软件包都能通用。

RT-Thread 内核基础

RT-Thread内核架构如下:

其中,内核库kservice.c是为了保证内核能够独立运行的一套小型的类似 C 库的函数实现子集。这部分根据编译器的不同自带 C 库的情况也会有些不同,当使用 GNU GCC 编译器时,会携带更多的标准 C 库实现。kservice.c中的函数如下:

C 库:也叫 C 运行库(C Runtime Library),它提供了类似 “strcpy”、“memcpy” 等函数,有些也会包括 “printf”、“scanf” 函数的实现。RT-Thread Kernel Service Library 仅提供内核用到的一小部分 C 库函数实现,为了避免与标准 C 库重名,在这些函数前都会添加上 rt_前缀。

内核最小的资源占用情况是 3KB ROM,1.2KB RAM。从框图中可看到,内核分为几大块内容,这里先大致看一下概念,之后的笔记再依次做更细的分享。

线程调度

线程是 RT-Thread 操作系统中最小的调度单位,线程调度算法是基于优先级的全抢占式多线程调度算法。即在系统中除了中断处理函数、调度器上锁部分的代码和禁止中断的代码是不可抢占的之外,系统的其他部分都是可以抢占的,包括线程调度器自身。

支持 256 个线程优先级,也可通过配置文件更改为最大支持 32 个或 8 个线程优先级,针对 STM32 默认配置是 32 个线程优先级。配置文件rtconfig.h如下:

0 优先级代表最高优先级,最低优先级留给空闲线程使用;同时它也支持创建多个具有相同优先级的线程,相同优先级的线程间采用时间片的轮转调度算法进行调度,使每个线程运行相应时间;另外调度器在寻找那些处于就绪状态的具有最高优先级的线程时,所经历的时间是恒定的,系统也不限制线程数量的多少,线程数目只和硬件平台的具体内存相关。

时钟管理

RT-Thread 的时钟管理以时钟节拍为基础,时钟节拍是 RT-Thread 操作系统中最小的时钟单位。RT-Thread 的定时器提供两类定时器机制:第一类是单次触发定时器,这类定时器在启动后只会触发一次定时器事件,然后定时器自动停止。第二类是周期触发定时器,这类定时器会周期性的触发定时器事件,直到用户手动的停止定时器否则将永远持续执行下去。

另外,根据超时函数执行时所处的上下文环境,RT-Thread 的定时器可以设置为 HARD_TIMER 模式或者 SOFT_TIMER 模式。

通常使用定时器定时回调函数(即超时函数),完成定时服务。用户根据自己对定时处理的实时性要求选择合适类型的定时器。

线程间同步

RT-Thread 采用信号量互斥量事件集实现线程间同步。线程通过对信号量、互斥量的获取与释放进行同步;互斥量采用优先级继承的方式解决了实时系统常见的优先级翻转问题。线程同步机制支持线程按优先级等待或按先进先出方式获取信号量或互斥量。线程通过对事件的发送与接收进行同步;事件集支持多事件的 或触发与触发,适合于线程等待多个事件的情况。

线程间通信

RT-Thread 支持邮箱消息队列等通信机制。邮箱中一封邮件的长度固定为 4 字节大小;消息队列能够接收不固定长度的消息,并把消息缓存在自己的内存空间中。邮箱效率较消息队列更为高效。邮箱和消息队列的发送动作可安全用于中断服务例程中。通信机制支持线程按优先级等待或按先进先出方式获取。

内存管理

RT-Thread 支持静态内存池管理动态内存堆管理。当静态内存池具有可用内存时,系统对内存块分配的时间将是恒定的;当静态内存池为空时,系统将申请内存块的线程挂起或阻塞掉 (即线程等待一段时间后仍未获得内存块就放弃申请并返回,或者立刻返回。等待的时间取决于申请内存块时设置的等待时间参数),当其他线程释放内存块到内存池时,如果有挂起的待分配内存块的线程存在的话,则系统会将这个线程唤醒。

动态内存堆管理模块在系统资源不同的情况下,分别提供了面向小内存系统的内存管理算法及面向大内存系统的 SLAB 内存管理算法。

还有一种动态内存堆管理叫做 memheap,适用于系统含有多个地址可不连续的内存堆。使用 memheap 可以将多个内存堆 “粘贴” 在一起,让用户操作起来像是在操作一个内存堆。

I/O设备管理

RT-Thread 将 PIN、I2C、SPI、USB、UART 等作为外设设备,统一通过设备注册完成。实现了按名称访问的设备管理子系统,可按照统一的 API 界面访问硬件设备。在设备驱动接口上,根据嵌入式系统的特点,对不同的设备可以挂接相应的事件。当设备事件触发时,由驱动程序通知给上层的应用程序。

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