RT-Thread内核基础

最新推荐文章于 2024-12-15 17:26:58 发布

云-生

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分类专栏： RT-Thread 文章标签：操作系统 rtt 内核

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本文详细介绍了RT-Thread实时操作系统内核，包括线程调度、时钟管理、线程间同步与通信、内存管理和设备管理。RT-Thread内核基于优先级的全抢占式多线程调度，支持256个线程优先级。时钟管理以时钟节拍为基础，提供单次和周期触发定时器。线程间同步通过信号量、互斥量和事件集实现。此外，RT-Thread启动流程从汇编代码开始，经过RT-Thread初始化，最后进入用户入口main()。启动流程包括硬件初始化、系统对象初始化、调度器启动等步骤。自动初始化机制使得特定函数在系统启动时自动调用，简化了系统初始化过程。

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RT-Thread内核基础

1、RT-Thread 内核介绍

下图为 RT-Thread 内核架构图，内核处于硬件层之上，内核部分包括内核库、实时内核实现。
在这里插入图片描述
实时内核的实现包括：对象管理、线程管理及调度器、线程间通信管理、时钟管理及内存管理等等，内核最小的资源占用情况是3KB ROM，1.2KB RAM。

1.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），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。

2.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。

3.线程间同步

==RT-Thread 采用信号量、互斥量与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” 和“与触发”，适合于线程等待多个事件的情况。

4.线程间通信

RT-Thread 支持邮箱和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。

5.内存管理

RT-Thread 支持静态内存池管理及动态内存堆管理。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。

6.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。

2、RT-Thread 启动流程

RT-Thread 支持多种平台和多种编译器，而 rtthread_startup()函数是 RT-Thread 规定的统一启动入口。一般执行顺序是：系统先从启动文件开始运行，然后进入 RT-Thread 的启动 rtthread_startup() ，最后进入用户入口 main()。下图为启动流程图
在这里插入图片描述
以 MDK-ARM 为例，用户程序入口为 main() 函数，位于 main.c 文件中。系统启动后先从汇编代码 startup_stm32f103xe.s （这个文件是stm32f103的启动文件）开始运行，然后跳转到 C 代码，进行 RT-Thread 系统启动，最后进入用户程序入口 main()。

为了在进入 main() 之前完成 RT-Thread 系统功能初始化，我们使用了 MDK 的扩展功能 $Sub$$ 和 $Super$$。可以给 main 添加 $Sub$$的前缀符号作为一个新功能函数$Sub$$main，这个 $Sub$$main 可以先调用一些要补充在 main 之前的功能函数（这里添加 RT-Thread 系统启动，进行系统一系列初始化），再调用$Super$$main 转到main()函数执行，这样可以让用户不用去管main()之前的系统初始化操作。

1.系统启动流程图

2.`$Sub$$main 函数`

/* $Sub$$main 函数 */
int $Sub$$main(void)
{
  rtthread_startup();
  return 0;
}

3.rtthread_startup() 函数

int rtthread_startup(void)
{
    rt_hw_interrupt_disable();

    /* 板级初始化：需在该函数内部进行系统堆的初始化 */
    rt_hw_board_init();

    /* 打印 RT-Thread 版本信息 */
    rt_show_version();

    /* 定时器初始化 */
    rt_system_timer_init();

    /* 调度器初始化 */
    rt_system_scheduler_init();

#ifdef RT_USING_SIGNALS
    /* 信号初始化 */
    rt_system_signal_init();
#endif

    /* 由此创建一个用户 main 线程 */
    rt_application_init();

    /* 定时器线程初始化 */
    rt_system_timer_thread_init();

    /* 空闲线程初始化 */
    rt_thread_idle_init();

    /* 启动调度器 */
    rt_system_scheduler_start();

    /* 不会执行至此 */
    return 0;
}

这部分启动代码，大致可以分为四个部分：

（1）初始化与系统相关的硬件；

（2）初始化系统内核对象，例如定时器、调度器、信号；

（3）创建 main 线程，在 main 线程中对各类模块依次进行初始化；

（4）初始化定时器线程、空闲线程，并启动调度器。

启动调度器之前，系统所创建的线程在执行 rt_thread_startup() 后并不会立马运行，它们会处于就绪状态等待系统调度；待启动调度器之后，系统才转入第一个线程开始运行，根据调度规则，选择的是就绪队列中优先级最高的线程。

rt_hw_board_init() 中完成系统时钟设置，为系统提供心跳、串口初始化，将系统输入输出终端绑定到这个串口，后续系统运行信息就会从串口打印出来。

main() 函数是 RT-Thread 的用户代码入口，用户可以在 main() 函数里添加自己的应用。

3、RT-Thread 程序内存分布

1.Program Size 包含以下几个部分：

（1）Code：代码段，存放程序的代码部分；

（2）RO-data：只读数据段，存放程序中定义的常量；

（3）RW-data：读写数据段，存放初始化为非 0 值的全局变量；

（4）ZI-data：0 数据段，存放未初始化的全局变量及初始化为 0 的变量；

4、RT-Thread 自动初始化机制

自动初始化机制是指初始化函数不需要被显式调用，只需要在函数定义处通过宏定义的方式进行申明，就会在系统启动过程中被执行。

例如在串口驱动中调用一个宏定义告知系统初始化需要调用的函数，代码如下：

int rt_hw_usart_init(void)  /* 串口初始化函数 */
{
     ... ...
     /* 注册串口 1 设备 */
     rt_hw_serial_register(&serial1, "uart1",
                        RT_DEVICE_FLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX,
                        uart);
     return 0;
}
INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init);    /* 使用组件自动初始化机制 */

示例代码最后的 INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init) 表示使用自动初始化功能，按照这种方式，rt_hw_usart_init() 函数就会被系统自动调用。

用来实现自动初始化功能的宏接口定义详细描述如下表所示：

初始化顺	序宏接口	描述
1	INIT_BOARD_EXPORT(fn)	非常早期的初始化，此时调度器还未启动
2	INIT_PREV_EXPORT(fn)	主要是用于纯软件的初始化、没有太多依赖的函数
3	INIT_DEVICE_EXPORT(fn)	外设驱动初始化相关，比如网卡设备
4	INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)	组件初始化，比如文件系统或者 LWIP
5	INIT_ENV_EXPORT(fn)	系统环境初始化，比如挂载文件系统
6	INIT_APP_EXPORT(fn)	应用初始化，比如 GUI 应用