ThreadX應用筆記：內核初始化和任務調度

作者：zzssdd2

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一、前言

了解ThreadX的初始化流程有助於移植使用，掌握任務的的調度有助於更加得心應手地運用該實時操作系統。

二、初始化流程

官方手冊給出的ThreadX初始化流程如下圖所示：

以STM32F429 + MDK-ARM-AC6平台舉例，初始化流程的前3步在startup_stm32f429xx.s文件中完成 ，該啟動文件內容是STM32復位后首先執行的，主要完成以下操作：

• 設置堆棧（ __initial_sp、__heap_base、__heap_limit）
• 設置中斷向量表（__Vectors）
• 設置復位入口程序（Reset_Handler）
• 鏈接到C庫中的__main，最終進入到main()函數

進入main()函數后開始進行ThreadX的x相關初始化，后面幾步更詳細的調用流程如下所示：

關於STM32移植ThreadX更詳細的過程可以參考這篇文章：ThreadX移植——STM32H7+MDK-AC6平台

三、線程狀態

理解線程的不同處理狀態是理解整個多線程環境的關鍵因素。在ThreadX中包含5種不同的線程狀態：就緒、掛起、執行、終止和完成。下圖展示了ThreadX的線程狀態轉換圖：

• 當線程准備執行時處於就緒狀態，就緒線程只有在它是處於就緒線程列表的最高優先級時才會執行。當線程開始執行時其狀態由就緒態轉為運行態
• 如果更高優先級的線程准備就緒，則執行線程將恢復到就緒狀態。然后執行新准備好的高優先級線程，將其邏輯狀態更改為運行態。每次發生線程搶占時，都會發生就緒狀態和運行狀態之間的轉換。
• 在任何給定的時刻，只有一個線程處於執行狀態。這是因為處於執行狀態的線程對底層處理器具有控制權。
• 處於掛起狀態的線程不符合執行條件。處於掛起狀態的原因包括時間掛起、隊列消息、信號量、互斥、事件標志、內存和基本線程掛起。在清除掛起的原因后，線程將恢復到就緒狀態。
• 處於完成狀態的線程是已完成其任務處理並從其入口函數返回的線程。 入口函數是在線程創建期間指定的。 處於完成狀態的線程無法再次執行。
• 線程處於終止狀態是因為另一個線程或是線程本身調用tx_thread_terminate服務。線程處於終止狀態將無法再次執行。
• 如果需要重新啟動已完成或終止的線程，應用程序必須首先刪除該線程。然后可以重新創建並重新啟動它。

四、配置選項

在使用ThreadX時，有一些配置選項可供選擇。這些選項包含在tx_user.h文件中。要使用這些配置項的前提是工程編譯時包含TX_INCLUDE_USER_DEFINE_FILE 宏定義。

• TX_BYTE_POOL_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，此選項可在字節池上收集性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_DISABLE_ERROR_CHECKING

  繞過基本服務呼叫錯誤檢查。在應用程序源中定義時，將禁用所有基本參數錯誤檢查。這可以將性能提高多達30％，並且還可以減小鏡像大小。

  注意:只有在應用程序可以絕對保證所有輸入參數在所有情況下始終有效的情況下，才可以禁用錯誤檢查，包括從外部輸入派生的輸入參數。如果在禁用錯誤檢查的情況下向API提供了無效的輸入，則導致的行為是不確定的，並且可能導致內存損壞或系統崩潰。

  注意:不受禁用錯誤檢查影響的ThreadX API返回值在第4章的每個API描述的“返回值”部分中以粗體列出。如果通過使用TX_DISABLE_ERROR_CHECKING選項禁用了錯誤檢查，則非粗體返回值將無效。

• TX_DISABLE_NOTIFY_CALLBACKS

  定義后，將為各種ThreadX對象禁用通知回調。使用此選項可略微減小代碼大小並提高性能。默認情況下，未定義此選項。

• TX_DISABLE_PREEMPTION_THRESHOLD

  定義后，將禁用搶占閾值功能，並略微減小代碼大小並提高性能。當然，搶占閾值功能不再可用。默認情況下，未定義此選項。

• TX_DISABLE_REDUNDANT_CLEARING

  定義后，刪除用於將ThreadX全局C數據結構初始化為零的邏輯。僅當編譯器的初始化代碼將所有未初始化的C全局數據設置為零時，才應使用此方法。使用此選項可略微減小代碼大小並提高初始化期間的性能。默認情況下，未定義此選項。

• TX_DISABLE_STACK_FILLING

  定義時，禁用在創建時將0xEF值放置在每個線程堆棧的每個字節中。默認情況下，未定義此選項。

• TX_ENABLE_EVENT_TRACE

  定義后，ThreadX啟用事件收集代碼以創建TraceX跟蹤緩沖區。

• TX_ENABLE_STACK_CHECKING

  定義后，將啟用ThreadX運行時堆棧檢查，其中包括分析已使用了多少堆棧以及檢查堆棧區域之前和之后的數據模式“圍欄”。如果檢測到堆棧錯誤，則會調用已注冊的應用程序堆棧錯誤處理程序。此選項的確會導致開銷和代碼大小略有增加。查看tx_thread_stack_error_notify API函數以獲取更多信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_EVENT_FLAGS_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，可以收集有關事件標志組的性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_INLINE_THREAD_RESUME_SUSPEND

  定義后，ThreadX通過內聯代碼改進tx_thread_resume和tx_thread_suspend API調用。這增加了代碼大小，但增強了這兩個API調用的性能。

• TX_MAX_PRIORITIES

  定義ThreadX的優先級。合法值的范圍是32到1024（含），並且必須能被32整除。增加的優先級級別數對於每組32個優先級將RAM使用量增加128字節。但是，對性能的影響可忽略不計。默認情況下，此值設置為32個優先級。

• TX_MINIMUM_STACK

  定義最小堆棧大小（以字節為單位）。創建線程時，用於錯誤檢查。默認值是特定於端口的，可以在tx_port.h中找到。

• TX_MISRA_ENABLE

  定義后，ThreadX將使用符合MISRA C的約定。有關詳細信息，請參考 ThreadX_MISRA_Compliance.pdf。

• TX_MUTEX_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，可以收集互斥量上的性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_NO_TIMER

  定義后，將完全禁用ThreadX計時器邏輯。在不使用ThreadX計時器功能（線程睡眠，API超時，時間分片和應用程序計時器）的情況下，這很有用。如果TX_NO_TIMER指定，則選項TX_TIMER_PROCESS_IN_ISR也必須定義。

• TX_NOT_INTERRUPTABLE

  定義后，ThreadX不會嘗試最小化中斷鎖定時間。這樣可以加快執行速度，但會略微增加中斷鎖定時間。

• TX_QUEUE_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，可以在隊列上收集性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_REACTIVATE_INLINE

  定義后，直接內聯執行ThreadX計時器，而不使用函數調用。這樣可以提高性能，但會稍微增加代碼大小。默認情況下，未定義此選項。

• TX_SEMAPHORE_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，可以收集有關信號量的性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_THREAD_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，可以在線程上收集性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_TIMER_ENABLE_PERFORMANCE_INFO

  定義后，可在計時器上收集性能信息。默認情況下，未定義此選項。

• TX_TIMER_PROCESS_IN_ISR

  定義后，消除ThreadX的內部系統計時器線程。由於不再需要定時器堆棧和控制塊，因此可以提高定時器事件的性能，並減少對RAM的需求。但是，使用此選項會將所有計時器到期處理移至計時器ISR級別。默認情況下，未定義此選項。

  注意：ISR可能不允許計時器允許的服務，因此使用此選項時可能不允許。

• TX_TIMER_THREAD_PRIORITY

  定義內部ThreadX系統計時器線程的優先級。默認值是優先級0，即ThreadX中的最高優先級。默認值在tx_port.h中定義。

• TX_TIMER_THREAD_STACK_SIZE

  定義內部ThreadX系統計時器線程的堆棧大小（以字節為單位）。該線程處理所有線程睡眠請求以及所有服務調用超時。此外，所有應用程序計時器回調例程都從該上下文中調用。默認值是特定於端口的，可以在tx_port.h中找到。

五、任務相關API

1、創建應用程序線程

• 描述

  該服務創建一個應用程序線程，該線程在指定的任務輸入功能處開始執行。堆棧，優先級，搶占閾值和時間片是輸入參數指定的屬性。另外，還指定了線程的初始執行狀態。

• 參數

  • thread_ptr指向線程控制塊的指針。

  • name_ptr指向線程名稱的指針。

  • entry_function指定用於線程執行的初始C函數。當線程從此入口函數返回時，它將處於完成狀態並無限期掛起。

  • entry_input一個32位值，該值在首次執行時傳遞給線程的入口函數。此輸入的使用完全由應用程序確定。

  • stack_start堆棧存儲區的起始地址。

  • stack_size堆棧存儲區中的字節數。線程的堆棧區域必須足夠大以處理最壞情況的函數調用嵌套和局部變量使用。

  • priority線程的數字優先級。有效值的范圍是0到（TX_MAX_PRIORITES-1），其中0表示最高優先級。

  • preempt_threshold禁用的搶占的最高優先級（0到（TX_MAX_PRIORITIES-1））。只有高於此級別的優先級才可以搶占該線程。該值必須小於或等於指定的優先級。等於線程優先級的值將禁用搶占閾值。

  • time_slice允許在同一優先級的其他就緒線程運行之前，允許該線程運行的計時器計數。請注意，使用搶占閾值將禁用時間片。合法的時間片值范圍是1到0xFFFFFFFF（包括0）。值為TX_NO_TIME_SLICE（值為0）禁用此線程的時間切片。

    _{注意：使用時間分片會導致少量系統開銷。由於時間片僅在多個線程共享相同優先級的情況下才有用，因此不應將具有唯一優先級的線程分配時間片。}

  • auto_start指定線程是立即啟動還是處於掛起狀態。有效選項為TX_AUTO_START（0x01）和TX_DONT_START（0x00）。如果指定了TX_DONT_START，則應用程序以后必須調用tx_thread_resume才能運行線程。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功創建線程。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的線程控制指針。指針為NULL或線程已創建。
  • TX_PTR_ERROR（0x03）入口點或堆棧區域的無效起始地址無效，通常為NULL。
  • TX_SIZE_ERROR（0x05）堆棧區域的大小無效。線程必須至少具有TX_MINIMUM_STACK字節才能執行。
  • TX_PRIORITY_ERROR（0x0F）無效的線程優先級，該值超出（0到（TX_MAX_PRIORITIES-1））的范圍。
  • TX_THRESH_ERROR（0x18）指定了無效的搶占閾值。該值的有效優先級必須小於或等於線程的初始優先級。
  • TX_START_ERROR（0x10）無效的自動啟動選擇。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_create(
    TX_THREAD *thread_ptr,
    CHAR *name_ptr, 
    VOID (*entry_function)(ULONG),
    ULONG entry_input, 
    VOID *stack_start,
    ULONG stack_size, 
    UINT priority,
    UINT preempt_threshold, 
    ULONG time_slice,
    UINT auto_start);

2、刪除應用程序線程

• 描述

  該服務刪除指定的應用程序線程。由於指定的線程必須處於終止或完成狀態，因此無法從試圖刪除自身的線程中調用此服務。

  _{注意：應用程序負責管理與線程的堆棧關聯的內存區域，此服務完成后才可用。此外，應用程序必須阻止使用已刪除的線程。}

• 參數

  thread_ptr指向先前創建的應用程序線程的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功刪除線程。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_DELETE_ERROR（0x11）指定的線程未處於終止或完成狀態。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_delete(TX_THREAD *thread_ptr);

3、在線程進入和退出時通知應用程序

• 描述

  此服務注冊一個通知回調函數，該函數將在進入或退出指定線程時調用。通知回調的處理由應用程序定義。

  注意：不允許應用程序的線程進入/退出通知回調調用具有暫停選項的任何ThreadX API。

• 參數

  • thread_ptr指向先前創建的線程的指針。
  • entry_exit_notify指向應用程序的線程進入/退出通知功能的指針。進入/退出通知功能的第二個參數指定是否存在進入或退出。值TX_THREAD_ENTRY（0x00）表示已進入線程，而值TX_THREAD_EXIT（0x01）表示已退出線程。如果此值為TX_NULL，則禁用通知。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功注冊線程進入/退出通知功能。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的線程指針。
  • TX_FEATURE_NOT_ENABLED（0xFF）系統在禁用通知功能的情況下進行了編譯。

UINT tx_thread_entry_exit_notify(
    TX_THREAD *thread_ptr,
    VOID (*entry_exit_notify)(TX_THREAD *, UINT));

4、查詢當前正在執行的任務

• 描述

  該服務返回指向當前正在執行的線程的指針。如果沒有線程在執行，則此服務返回空指針。

  _{注意：如果從ISR調用此服務，則返回值表示在執行中斷處理程序之前運行的線程。}

• 參數

  空

• 返回值

  thread pointer 指向當前正在執行的線程的指針。如果沒有線程在執行，則返回值為TX_NULL

TX_THREAD* tx_thread_identify(VOID);

5、查詢任務相關信息

• 描述

  該服務檢索有關指定線程的信息。

• 參數

  • thread_ptr指向線程控制塊的指針。

  • name指向目標的指針，該目標指向線程名稱。

  • state指向線程當前執行狀態的目標的指針。可能的值如下。

    • TX_READY（0x00）
    • TX_COMPLETED（0x01）
    • TX_TERMINATED（0x02）
    • TX_SUSPENDED（0x03）
    • TX_SLEEP（0x04）
    • TX_QUEUE_SUSP（0x05）
    • TX_SEMAPHORE_SUSP（0x06）
    • TX_EVENT_FLAG（0x07）
    • TX_BLOCK_MEMORY（0x08）
    • TX_BYTE_MEMORY（0x09）
    • TX_MUTEX_SUSP（0x0D）

  • run_count指向目標的線程運行計數。

  • **priority **指向目標的線程優先級。

  • preemption_threshold指向線程的搶占閾值的目標的指針。

  • time_slice指向線程時間切片目標的指針。

  • next_thread指向下一個創建的線程指針的目標的指針。

  • suspend_thread指向目標的指針，該指針指向指向暫掛列表中下一個線程的指針。

  _{注意：為任何參數提供TX_NULL表示該參數不是必需的。}

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程信息檢索。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的線程控制指針。

UINT tx_thread_info_get(
    TX_THREAD *thread_ptr, 
    CHAR **name,
    UINT *state, 
    ULONG *run_count,
    UINT *priority,
    UINT *preemption_threshold,
    ULONG *time_slice,
    TX_THREAD **next_thread,
    TX_THREAD **suspended_thread);

6、更改線程的搶占閾值

• 描述

  此服務更改指定線程的搶占閾值。搶占閾值可防止等於或小於搶占閾值的線程搶占指定線程。

  _{注意：使用搶占閾值會禁用指定線程的時間片。}

• 參數

  • thread_ptr指向先前創建的應用程序線程的指針。
  • new_threshold新的搶占閾值優先級（0到（TX_MAX_PRIORITIES-1）。
  • old_threshold指向要返回先前搶占閾值的位置的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的搶占閾值更改。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_THRESH_ERROR（0x18）指定的新搶占閾值不是有效的線程優先級（（從（0到（TX_MAX_PRIORITIES -1）以外的值））或大於當前線程優先級（（較低的優先級））。
  • TX_PTR_ERROR（0x03）指向先前搶占閾值存儲位置的無效指針。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_preemption_change(
    TX_THREAD *thread_ptr,
    UINT new_threshold, 
    UINT *old_threshold);

7、更改線程的優先級

• 描述

  該服務更改指定線程的優先級。有效優先級的范圍是0到（TX_MAX_PRIORITES-1），其中0表示最高優先級。

  注意：指定線程的搶占閾值將自動設置為新優先級。如果需要新的閾值，則必須在此調用之后使用tx_thread_preemption_change*服務

• 參數

  • thread_ptr指向先前創建的應用程序線程的指針。
  • new_priority新線程優先級（0到（TX_MAX_PRIORITIES-1））。
  • old_priority指向一個位置的指針，以返回線程先前的優先級

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的優先級更改。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_PRIORITY_ERROR（0x0F）指定的新優先級無效（（（0到（TX_MAX_PRIORITIES-1）以外的值））。
  • TX_PTR_ERROR（0x03）指向先前優先級存儲位置的無效指針。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_priority_change(
    TX_THREAD *thread_ptr,
    UINT new_priority, 
    UINT *old_priority);

8、線程釋放控制權

• 描述

  • 此服務放棄處理器的控制權，轉交給其他相同或更高優先級的處於就緒狀態的線程

  • 除了將控制權放棄給相同優先級的線程之外，此服務還將控制權放棄給由於當前線程的搶占閾值設置而阻止執行的最高優先級線程。

• 參數

  空

• 返回值

  空

VOID tx_thread_relinquish(VOID);

9、重置線程

• 描述

  此服務將指定的線程重置為在線程創建時定義的入口點執行。線程必須處於TX_COMPLETED或TX_TERMINATED狀態才能重置

  注意：必須恢復(resume)該線程以使其再次執行

• 參數

  • thread_ptr指向先前創建的線程的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程重置。
  • TX_NOT_DONE（0x20）指定的線程不處於TX_COMPLETED或TX_TERMINATED狀態。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的線程指針。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_reset(TX_THREAD *thread_ptr);

10、恢復線程

• 描述

  該服務將恢復或准備執行先前由tx_thread_suspend調用暫停的線程。此外，此服務將恢復在沒有自動啟動的情況下創建的線程。

• 參數

  • thread_ptr指向掛起的應用程序線程的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程恢復。
  • TX_SUSPEND_LIFTED（0x19）先前設置的延遲暫停已取消。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_RESUME_ERROR（0x12）指定的線程沒有被掛起，或者之前被tx_thread_suspend以外的服務掛起。

UINT tx_thread_resume(TX_THREAD *thread_ptr);

11、掛起線程

• 描述

  此服務掛起指定的應用程序線程。線程可以調用此服務來掛起自身。

  掛起后，必須由tx_thread_resume恢復該線程才能再次執行。

  注意：如果指定的線程由於其他原因已經掛起，則此掛起操作將在內部保持，直到先前的掛起解除為止。當發生這種情況時，將執行指定線程的無條件掛起。進一步的無條件中止請求無效。

• 參數

  • thread_ptr指向應用程序線程的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程掛起。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_SUSPEND_ERROR（0x14）指定的線程處於終止或完成狀態。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_suspend(TX_THREAD *thread_ptr);

12、將當前線程掛起指定的時間

• 描述

  此服務使調用線程在指定的計時器刻度數內掛起。與計時器刻度相關的物理時間量是特定於應用程序的。只能從應用程序線程調用此服務。

• 參數

  • timer_ticks用於暫停調用應用程序線程的計時器滴答數，范圍從0到0xFFFFFFFF。如果指定0，則服務將立即返回。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程睡眠。
  • TX_WAIT_ABORTED（0x1A）暫停被另一個線程，計時器或ISR中止。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）從非線程調用的服務。

UINT tx_thread_sleep(ULONG timer_ticks);

13、線程堆棧錯誤通知回調

• 描述

  該服務注冊了一個通知回調函數來處理線程堆棧錯誤。當ThreadX在執行過程中檢測到線程堆棧錯誤時，它將調用此通知函數來處理錯誤。錯誤的處理完全由應用程序定義。從暫停違規線程到重置整個系統，任何事情都可以完成。

  注意：必須定義TX_ENABLE_STACK_CHECKING 配置選項，以便此服務返回性能信息。

• 參數

  • error_handler指向應用程序的堆棧錯誤處理功能的指針。如果此值為TX_NULL，則禁用通知。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程重置。
  • TX_FEATURE_NOT_ENABLED（0xFF）系統未在啟用性能信息的情況下進行編譯。

UINT tx_thread_stack_error_notify(VOID (*error_handler)(TX_THREAD *));

14、終止線程

• 描述
  • 該服務終止指定的應用程序線程，而不管該線程是否被掛起。線程可以調用此服務以終止自身。
  • 應用程序有責任確保線程處於適合終止的狀態。例如，線程不應在關鍵應用程序處理期間或在其他中間件組件內部終止，否則可能會使這種處理處於未知狀態。**
  • 終止后，必須重置線程以使其再次執行。
• 參數
  • thread_ptr指向應用程序線程的指針。
• 返回值
  • TX_SUCCESS（0x00）成功終止線程。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_terminate(TX_THREAD *thread_ptr);

15、更改線程的時間片

• 描述

  該服務更改指定應用程序線程的時間片。為線程選擇時間片可確保在相同或更高優先級的其他線程有機會執行之前，它不會執行超過指定數量的計時器滴答。

  注意：使用搶占閾值會禁用指定線程的時間片。

• 參數

  • thread_ptr指向應用程序線程的指針。
  • new_time_slice新的時間片值。合法值包括TX_NO_TIME_SLICE和從1到0xFFFFFFFF的數值。
  • old_time_slice指向用於存儲指定線程的先前時間片值的位置的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的時間切片機會。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_PTR_ERROR（0x03）指向先前時間片存儲位置的無效指針。
  • TX_CALLER_ERROR（0x13）該服務的無效調用者。

UINT tx_thread_time_slice_change(
    TX_THREAD *thread_ptr,
    ULONG new_time_slice, 
    ULONG *old_time_slice);

16、中止指定線程

• 描述

  此服務中止睡眠或指定線程的任何其他對象掛起。如果等待被中止，則線程正在等待的服務將返回TX_WAIT_ABORTED值。

  注意：該服務不會釋放由tx_thread_suspend服務進行的顯式掛起。

• 參數

  • thread_ptr指向先前創建的應用程序線程的指針。

• 返回值

  • TX_SUCCESS（0x00）成功的線程等待中止。
  • TX_THREAD_ERROR（0x0E）無效的應用程序線程指針。
  • TX_WAIT_ABORT_ERROR（0x1B）指定的線程未處於等待狀態。

UINT tx_thread_wait_abort(TX_THREAD *thread_ptr);