Linux上应用竟然可以轻松的移植到RTOS上

原创于 2021-06-19 14:12:21 发布 · 1.4k 阅读

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#linux #rtos #操作系统 #物联网 #嵌入式

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今天讲的主题是 “如何轻松地移植Linux应用到AliOS Things上”

1、前言

近些年，大量的智能设备已经进入人们的生活，如智能音箱，各种支付设备，大街小巷上各种大小的广告机等。这些设备中大多还是采用Linux，带屏的设备则大多采用Android，导致他们必须采用较高成本的硬件。

AliOS Things是阿里云IoT研发的应用于物联网智能设备的嵌入式实时操作系统，是HaaS100搭载的操作系统。目前AliOS Things + 小程序框架已经可以替代Linux甚至Android，大大降低设备的成本。可是Linux（包括Android）上的成熟稳定的框架，尤其是音视频处理的框架，图形渲染等，如果可以拿来使用，再加以适配优化，不需要重复造轮子，岂不美哉。

那如何把Unix/Linux这些优秀的框架轻松地移植到AliOS Things上呢？支持POSIX就是实现这个目标的一把利器。

2、POSIX是什么

POSIX（Portable Operating System Interface）是IEEE组织为了维护应用在不同操作系统之间的兼容性而制定的标准。主要包括API，Shell和Utility等一整套应用运行环境。广泛应用于UNIX/LINUX操作系统，和一些嵌入式操作系统中（如Zephyr, VxWorks, QNX, Fuchsia，FreeRTOS，RT-Thread，AliOS Things）。

POSIX标准也被称为IEEE 1003，ISO/IEC 9945，目前标准的开发者是Austin Group，它是IEEE, Open Group, ISO/IEC的联合组织，目前POSIX标准的最新版本是POSIX.1-2017。刚开始时POSIX标准（IEEE 1003）又分为不同的子集，其中还处于有效状态的有IEEE 1003.13。 IEEE 1003.13是针对嵌入式领域制定的标准，根据范围的大小又分为4个不同的Profile，PSE51, PSE52, PSE53和PSE54，其关系如下图。

3、为什么需要POSIX

AliOS Things作为一个物联网领域的嵌入式实时操作系统为什么要支持POSIX标准呢？除了解决前言引入的问题外，还有没有其他的目的呢？本章节将进行一个全面的阐述。

3.1、POSIX解决的核心问题

软件生态

软件生态是一个OS的生存核心，但建设一个OS的软件生态又不能急于求成，需要经过多年的积累沉淀。显然AliOS Things的生态还不成熟，而Linux的生态则经过了几十年的沉淀，变得非常强大。支持POSIX则可以

兼容Unix/Linux软件生态。
兼容支持POSIX标准的嵌入式系统（如FreeRTOS）的软件生态。

标准

API模型由国际权威组织定义，且被广泛使用验证过，成熟稳定。

易用

API被广大开发者所熟悉，降低开发者学习成本。
每个API都有标准化的文档详细说明，方便查询使用。

为AliOS Things内部组件提供标准接口，方便使用和支持多平台如移植到Linux。

3.2、竞品分析

其实不只有我们这么想，让我们一起看看业界的嵌入式实时操作系统是否支持POSIX标准。

VxWorks

作为比较老牌的嵌入式实时操作系统，VxWorks被广泛应用于多个领域，如航空航天，工业控制等对实时性要求很高的领域，它也是非常重视对POSIX标准的支持，其全部支持了PSE52标准 + BSD Socket。并通过官方的PSE52认证。

QNX

作为被广泛应用于汽车领域的嵌入式实时操作系统，同时也是比较成功的商用微内核操作系统，QNX也是比较重视对POSIX标准的支持，其全部支持了PSE52标准 + BSD Socket。

Fuchsia

作为Google全新设计研发的微内核操作系统， Fuchsia也是支持POSIX标准的。

FreeRTOS

FreeRTOS虽然主要应用于资源比较受限的MCU设备，其也实现部分PSE52范围内的API。

RT-Thread

RT-Thread主要应用于物联网领域的智能设备，其也比较重视对POSIX标准的支持，实现PSE52范围内的大部分API。

AliOS Things支持POSIX的长远目标是实现POSIX.1的最新版本，如目前是POSIX.1-2017，它共有1191个API，数量是非常大的，但是有很多并不是经常使用的API，因此短期目标是实现PSE52 + Networking标准的API + 项目中需要的API。

4、POSIX的设计与实现

POSIX作为内核与应用的接口层，涉及到内核的多个方面。下面仅以POSIX线程和POSIX条件变量为例介绍其设计与实现，POSIX组件的代码位于core/osal/posix/, 头文件位于include/posix/。

4.1、POSIX线程

关键数据结构

typedef struct pthread_tcb {

aos_task_t task; /* The rhino task handle. */

unsigned int magic; /* The pthread tcb memory magic number. */

void *(*thread_entry)(void *para); /* The start routine of the thread. */

void *thread_para; /* The parameter of start routine. */

aos_sem_t join_sem; /* The semaphore for pthread_join. */

pthread_cleanup_t *cleanup; /* The registered cleanup function for the thread.*/

void *environ;

void **tls;

void *return_value; /* The thread's return value. */

pthread_attr_t attr; /* The thread's attribute. */

char thread_name[PTHREAD_NAME_MAX_LEN + 1]; /* The thread's name. */

} pthread_tcb_t;

_pthread_tcb_t是POSIX线程内部的核心数据结构，保存着POSIX线程的关键数据，与内核task的tcb结构相对应，且通过tid相互关联。POSIX线程的关键数据类型pthread_t会关联到这个数据结构上。

task 内核rhino的任务句柄。

magic 是POSIX线程的魔术字，以区别于使用AliOS Things原生的AOS API创建的线程。
thread_entry 新创建线程的执行入口函数的指针。

thread_para 新创建线程的执行入口函数的参数结构指针。
join_sem 实现线程的JOINABLE的信号量，线程退出时自身不释放ptcb资源，由其他线程调用pthread_join获取返回值，并释放资源。

cleanup 线程在退出时要执行的清理函数指针的链表。
environ 线程运行的环境变量。

tls 存放线程私有数据。
return_value 存放POSIX线程的返回值的指针。

attr 线程属性，为POSIX线程设置属性以更细粒度地控制线程的行为。如线程的栈地址，栈大小，线程的调度策略，调度参数等。
thread_name 线程名字

POSIX线程的创建与销毁

使用pthread_create创建POSIX线程。

使用pthread_exit销毁一个POSIX线程，或者从一个线程的入口函数返回，也会走到线程的销毁流程。

下面流程图为保持逻辑清晰，略去了很多实现细节如异常处理等。

4.2、POSIX条件变量

POSIX条件变量的标准定义：https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/

关键数据结构

typedef struct pthread_cond {

uint8_t flag;

int waiting;

int signals;

void *lock;

void *wait_sem;

void *wait_done;

pthread_condattr_t attr;

} pthread_cond_t;

pthread_cond_t是实现POSIX条件变量的核心数据结构。

flag 一些内部的标记如是否为动态初始化。

lock 是保护内部数据的一把mutex锁。
waiting 等待这个条件变量的线程数。

signals 已发送信号还未收到确认的数目。
wait_sem 线程等待的信号量，底层内核的信号量原语。

wait_done 用于发送线程与等待线程之间握手确认的信号量，底层内核的信号量原语。
attr 记录pthread条件变量的属性，比如条件变量用到的时钟clock。

POSIX条件变量的处理

POSIX 条件变量不仅支持触发单个等待的线程，同时还支持广播（pthread_cond_broadcast），触发多个等待的线程。

4.3、实现结果如何

AliOS Things 支持了pthread，semaphore, message queue, timer, fs等多个模块的丰富的API，开发者可以利用这些POSIX API，只需要简单地修改，甚至无需修改，就可以移植Unix/Linux的应用到AliOS Things上。再结合HaaS100的开发板，开发者可以更快速地构建智能设备所需的软件和硬件。

4.4、动手试试

下面动手编写一个简单的使用POSIX PTHREAD API的Linux应用，保存为pthread_test.c

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>



static volatile int count = 1;

pthread_mutex_t count_lock;



void* increase_count(void *arg)

{

    while (1) {

        sleep(1);

        pthread_mutex_lock(&count_lock);

        count += 10;

        printf("In new thread: count:%d\n", count);

        pthread_mutex_unlock(&count_lock);

    }

}





int main(int argc, char* argv[])

{

    int ret = 0;

    pthread_t new_thread;



    pthread_mutex_init(&count_lock, NULL);



    ret = pthread_create(&new_thread, NULL, increase_count, NULL);

    if (ret != 0) {

        printf("Error:%s:%d:ret:%d\n", __FILE__, __LINE__, ret);

        return -1;

    }



    while(1) {

        sleep(1);

        pthread_mutex_lock(&count_lock);

        count++;

        printf("In main thread: count:%d\n", count);

        pthread_mutex_unlock(&count_lock);

    }

   

    return 0;

}

在Linux上编译

gcc pthread_test.c -o pthread_test -lpthread

运行结果如下：

$ ./pthread_test

In main thread: count:2

In new thread: count:12

In main thread: count:13

In new thread: count:23

In main thread: count:24

In new thread: count:34

In main thread: count:35

In new thread: count:45

In main thread: count:46

In new thread: count:56

In main thread: count:57

In new thread: count:67

In main thread: count:68

In new thread: count:78

In main thread: count:79

In new thread: count:89

In main thread: count:90

In new thread: count:100

把上面的pthread_test.c 移植到AliOS Things上，改写application/example/helloworld_demo 这个demo应用。把pthread_test.c 的内容替换application/example/helloworld_demo/appdemo.c的全部内容，并做如下2个简单的修改。

$ diff -ru pthread_test.c solutions/helloworld_demo/helloworld.c

--- pthread_test.c 2021-06-17 12:01:56.638675133 +0800

+++ solutions/helloworld_demo/helloworld.c    2021-06-17 12:04:58.479941329 +0800

@@ -17,7 +17,7 @@

 }





-int main(int argc, char* argv[])

+int application_start(int argc, char* argv[])

 {

     int ret = 0;

     pthread_t new_thread;

由上可知，AliOS Things的应用入口是application_start，不是main，上面的Linux应用，只需要改动一行就可以跑到AliOS Things上。

在VSCODE IDE利用alios-studio插件，点击编译按钮，编译hellworld_demo，详细步骤可以参考 AliOS Things的编译步骤。

下载烧录并启动，log如下，与Linux运行的结果一致。

           Welcome to AliOS Things          

     1592/main_task | sys_init aos_components_init done

     1592/main_task |         mesh has been opened       

     1986/mcu_audio | mcu_audio_main exit

[Jan 01 00:00:01.491]<I>ULOG-test sys_init aos_components_init done



In main thread: count:2

In new thread: count:12

In main thread: count:13

In new thread: count:23

In main thread: count:24

In new thread: count:34

In main thread: count:35

In new thread: count:45

In main thread: count:46

In new thread: count:56

In main thread: count:57

In new thread: count:67

In main thread: count:68

In new thread: count:78

In main thread: count:79

In new thread: count:89

In main thread: count:90

In new thread: count:100