RT-Thread學習筆記1-啟動順序與線程創建

目錄

• 1. 啟動順序
• 2. 堆范圍
• 3. 線程創建
  • 3.1 線程代碼（入口函數）
  • 3.2 線程控制塊
  • 3.3 線程棧
• 4. 系統滴答時鍾
• 5. GPIO驅動架構操作IO
• 6. 線程優先級 & 時間片
  • 優先級
  • 時間片
  • 優先級搶占調度
  • 時間片輪詢調度
• 7. 鈎子函數
  • 空閑線程
  • 系統調度鈎子函數
• 參考文獻

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1. 啟動順序

1. SystemInit()
2. $Sub$$main()
3. rtthread_startup()
4. rt_application_init()
5. main_thread_entry
6. $Super$$main用戶主函數

2. 堆范圍

自由分配的內存（堆）起始地址為RAM的起始地址加上RW+ZI段后的地址區域。

編譯出的program size分為：

1. Code: 代碼段，存放程序的代碼部分
2. RO-data: 只讀數據段，存放程序中定義的常量
3. RW-data: 讀寫數據段，存放初始化為非0值的全局變量
4. ZI-data: 0數據段，存放未初始化得全局變量及初始化為0的變量

實際占用空間情況為：

1. RO Size包含了Code及RO-data，表示程序占用flash空間的大小
2. RW Size包含了RW-data及ZI-data，表示運行時占用RAM的大小
3. ROM Size包含了Code, RO Data和RW data，表示燒寫程序占用flash空間的大小

板子上電后默認從flash啟動，啟動之后會將RW段中的RW-data（初始化的全局變量）搬運到RAM中，但不會搬運RO段，即CPU的執行代碼從flash中讀取，另外根據編譯器給出的ZI地址和大小，分配出ZI段，並將這塊RAM區域清零。動態內存堆為未使用的RAM空間，應用程序申請和釋放的內存都來自該空間

char *ptr;
ptr = rt_malloc(10);
if (ptr != RT_NULL)
{
    rt_memset(ptr, 0, 10);
    rt_kprintf("malloc success\n");
    rt_free(ptr);
    ptr = RT_NULL;
}

3. 線程創建

RT-Thread中，線程由三部分組成：線程代碼（入口函數）、線程控制塊、線程堆棧

3.1 線程代碼（入口函數）

無限循環結構
void thread_entry(void *parameter)
{
    while(1)
    {
        /* 等待事件發生 */
    
        /* 處理事件 */
    }
}

順序執行結構
void thread_entry(void *parameter)
{
    /* 事務1處理 */
    /* 事務2處理 */
    /* 事務3處理 */
}

3.2 線程控制塊

操作系統管理線程的一個數據結構。存放線程的一些信息，比如優先級、線程名稱、線程狀態等等，也包括線程與線程之間連接用的鏈表結構，線程等待時間集合等

struct rt_thread;
struct rt_thread *rt_thread_t;

3.3 線程棧

每個線程都有獨立的棧空間，線程切換時，系統會將當前線程的上下文保存在線程棧中，當線程要恢復運行時，再從線程棧中讀取上下文信息，恢復線程的運行。線程上下文是指線程執行時的環境，各個變量和數據包括所有的寄存器變量，堆棧信息，內存信息等。線程棧在形式上是一段連續的內存空間，可以通過定義一個數組或者申請一段動態內存來作為線程的棧
創建線程：

創建靜態線程
rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread *thread,
const char *name,
void (*entry)(void *parameter),
void *parameter,
void *stack_start,
rt_uint32_t stack_size,
rt_uint8_t priority,
rt_uint32_t tick)

創建動態線程
rt_thread_t rt_thread_create(const char *name,
void (*entry(void *parameter),
void *parameter,
rt_uint32_t stack_size,
rt_uint8_t priority,
rt_uint32_t tick))

啟動線程
rt_err_t rt_thread_startup(rt_thread_t thread)
調用此函數后創建的線程會被加入到線程的就緒隊列，執行調度

rt_err_t thread_static_init()
{
    rt_err_t result;

    result = rt_thread_init(&thread,
        "test",
        thread_entry, RT_NULL,
        &thread_stack[0], sizeof(thread_stack),
        THREAD_PRIORITY, 10);

    if (result == RT_EOK)
        rt_thread_startup(&thread);
    else
        tc_stat(TC_STAT_END | TC_STAT_FAILED);

    return result;
}

int thread_dynamic_init()
{
    rt_thread_t tid;

    tid = rt_thread_create("test",
        thread_entry, RT_NULL,
        THREAD_STACK_SIZE, THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid);
    else
        tc_stat(TC_STAT_END | TC_STAT_FAILED);

    return 0;
}

rt_thread_delay(15); // 根據時鍾頻率決定。時鍾頻率100HZ，那么一次delay 10ms.此處就未150ms
rt_thread_sleep(15);
rt_thread_mdelay(15); // delay 15ms

區別：

1. 資源分配形式不同：靜態線程的線程控制塊和線程棧是靜態分配的，而動態線程的這兩部分是運行時動態分配的
2. 執行效率：如果堆空間是片外RAM，那么動態線程的運行效率低於靜態線程。反之，如果都是片內RAM，則沒有差別

4. 系統滴答時鍾

心跳時鍾由硬件定時器的定時中斷產生。稱之為系統滴答或者時鍾節拍。其頻率需要根據CPU的處理能力來決定。始終街拍使得內核可以將線程延時若干個時鍾節拍，以及線程等待時間發生時，超時的依據。頻率越快，內核函數介入系統運行的概率越大，內核占用的處理器時間就越長，系統的負荷就越大。頻率越小，時間處理精度又不夠。在stm32平台上一般設置系統滴答頻率為100HZ，即每個滴答的時間是10ms。在rtconfig.h中的RT_TICK_PER_SECOND宏，就是代表的HZ數

5. GPIO驅動架構操作IO

#include <rt_device.h>
IO初始化
void rt_pin_mode(rt_base_t pin, rt_base_t mode)
PIN_MODE_OUTPUT
PIN_MODE_INPUT
PIN_MODE_INPUT_PULLUP
PIN_MODE_INPUT_PULLDOWN
PIN_MODE_OUTPUT_OD

IO寫入
void rt_pin_write(rt_base_t pin, rt_base_t value)
PIN_HIGH
PIN_LOW

IO讀出
int rt_pin_read(rt_base_t pin)

首先通過看drv_gpio.c中的宏，得知我們設置的芯片有多少個腳。再看__STM32_PIN(2, E, 4).那么這里傳入2，就表示要操作PE4引腳

使用msh中的命令：list_thread。列出當前所有線程的棧使用情況

可以先將線程棧大小設置一個固定值（比如2048），在線程運行時通過該命令查看線程棧的使用情況，了解線程棧使用的實際情況，根據情況設置合理的大小。一般將線程棧最大使用量設置為70%

6. 線程優先級 & 時間片

優先級

分別描述了線程競爭處理器資源的能力和持有處理器時間長短的能力。RT-Thread最大支持256個優先級,數值越小優先級越高，0為最高優先級，最低優先級保留給空閑線程idle。可以通過rt_config.h中的RT_THREAD_PRIORITY_MAX宏，修改最大支持的優先級。針對STM32默認設置最大支持32個優先級。具體應用中，線程總數不受限制，能創建的線程總數之和具體硬件平台的內存有關

時間片

只有在相同優先級的就緒態線程中起作用，時間片起到約束線程單次運行時長的作用，其單位是一個系統街拍（OS Tick）

優先級搶占調度

當有高優先級線程處於就緒態后，就會發生任務調度

時間片輪詢調度

相同優先級的線程，操作系統按照時間片大小輪流調度線程，時間片起到約束線程單次運行時長的作用。保證同優先級任務輪流占有處理器

7. 鈎子函數

空閑線程

特殊的系統線程，具有最低的優先級。系統中無其他就緒線程可運行時，調度器將調度到空閑線程。空閑線程負責一些系統資源回收以及將一些處於關閉態的線程從線程調度列表中移除的動作。空閑線程在形式上是一個無限循環結構，且永遠不被掛起。在RT-Thread實時操作系統中空閑線程向用戶提供了鈎子函數，空閑線程鈎子函數可以在系統空閑的時候，執行一些非緊急事務，例如系統運行指示燈閃爍，CPU使用率統計等等

rt_err_t rt_thread_idle_sethook(void(*hook)(void))
rt_err rt_thread_idle_delhook(void(*hook)(void))

注意：

1. 空閑線程是一個線程狀態永遠為就緒態的線程，所以鈎子函數中執行的相關代碼必須保證空閑線程在任何時刻都不會被掛起，例如rt_thread_delay(), rt_sem_take()等可能會導致線程掛起的阻塞類函數，都不能再鈎子函數中調用。
2. 空閑線程可以設置多個鈎子函數(有最大限制)

系統調度鈎子函數

系統上下文切換是最普遍的時間，如果用戶想知道在某一個時刻發生了什么樣的線程切換，RT-Thread提供了一個系統調度鈎子函數，這個鈎子函數在系統進行任務切換時運行，通過這個鈎子函數，可以了解到系統任務調度時的信息

rt_scheduler_sethook(void(*hook)(struct rt_thread *from, struct rt_thread *to))

參考文獻

1. RT-Thread視頻中心內核入門
2. RT-Thread文檔中心

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本文作者: CrazyCatJack

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