【STM32H7】第3章 ThreadX操作系統介紹

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第3章 ThreadX操作系統介紹

本章節介紹 ThreadX 操作系統，讓大家對 ThreadX 有一個整體的了解。

3.1 初學者重要提示

3.2 Express Logic公司介紹

3.3 ThreadX簡介

3.4 ThreadX各行各業應用案例

3.5 ThreadX論壇

3.6 總結

3.1 初學者重要提示

ThreadX是小型RTOS的巔峰之作，通過了各行各業的安全認證，並且大部分都是最高安全標准。
ThreadX為其微內核架構（picokernel™ architecture）,搶占閥值調度（preemption-threshold™ scheduling）, 事件鏈（event-chaining™）注冊了商標。

3.2 Express Logic公司介紹

ThreadX的作者是William lamie（同樣是Nucleus RTOS的原始作者，於1990年發布）。1996的時候成立了Express Logic，並於1997發布首版ThreadX RTOS。

ThreadX4發布於2001年，ThreadX5發布於2005年，ThreadX6發布於2020年。
FileX – ThreadX的嵌入式文件系統於1999年發布首版。
NetX – ThreadX的嵌入式TCP / IP網絡協議棧於2002年發布首版。
USBX – ThreadX的嵌入式USB協議棧於2004年發布首版。
2009年推出了適用於SMP多核環境的ThreadX。
2011年發布支持動態應用加載的ThreadX Modules。
GUIX – ThreadX的嵌入式UI於2014年發布首版。
Microsoft在2019年4月18日以未公開的價格購買了Express Logic。

3.2.1 FileX文件系統

ThreadX的文件系統非常強勁，通過了各行各業的高等級安全認證。其它文件系統別說安全認證了，安全措施都不多，甚至沒有。

規格如下：

再看API，一個文件系統竟然提供了230多個，僅異常處理的API就有20個（一個文件一個API）

更詳細的介紹看此貼：https://rtos.com/solutions/filex/embedded-file-system/。

3.2.2 NetX網絡協議棧

ThreadX的網絡協議棧對其它網絡協議棧幾乎是碾壓性優勢。一張圖，幾乎涵蓋了我們日常項目大部分應用：

各個行業的安全認證：

物聯網協議方向安全認證：

加密庫也做了認證：

更多介紹可以看此貼：https://rtos.com/solutions/netx-duo/embedded-network-stack/ 。

3.2.3 USBX協議棧

USB協議棧也不錯，日常用的功能也齊全

規格如下：

更多介紹可以看此貼：https://rtos.com/solutions/usbx/embedded-usb/

3.2.4 GUIX圖形界面

GUIX用於圖形界面設計，功能強勁，特別是配套的圖形界面開發軟件GUIX Studio，可以添加設置各種主題，各種界面效果，各種字體展示，各種圖片格式設置，真的是一條龍，非常方便。而且GUIX有各種安全認證。

GUIX通過了醫療認證IEC-62304 Class C，汽車認證IEC-61508 ASIL D，工業認證IEC-61508 SIL 4和運輸/鐵路認證EN50128，表明GUIX可用於安全關鍵型系統。

規格如下:

更詳細的介紹地址：https://rtos.com/solutions/guix/embedded-gui/。

3.2.5 LevelX擦寫均衡保護層

LevelX為NAND和NOR型Flash提供擦寫均衡支持，並且對於NAND型，還支持ECC校驗和壞塊管理。

由於NAND和NOR型Flash擦除次數是有限的，因此均勻分配閃存使用至關重要。這通常稱為擦寫均衡，LevelX為此而生。LevelX向用戶提供一個邏輯扇區陣列，這些邏輯扇區映射到LevelX內部的物理閃存。應用程序可以將LevelX與FileX結合使用，也可以直接讀取/寫入邏輯扇區。LevelX專為容錯而設計。Flash更新是分多個步驟進行的，每個步驟都可以中斷。在下一次操作期間，LevelX自動恢復到最佳狀態。

3.3 ThreadX簡介

ThreadX是先進的工業級實時操作系統，專為深度嵌入式，實時應用和IoT應用而設計。ThreadX提供了高級調度，通信，同步，計時器，內存管理和中斷管理功能。此外，ThreadX具有許多高級功能，包括微內核架構（picokernel™ architecture）,搶占閥值調度（preemption-threshold™ scheduling）, 事件鏈（event-chaining™），執行時性能分析，性能指標以及系統事件跟蹤。結合其易用性，ThreadX是苛刻的嵌入式應用理想選擇。

62億電子設備采用，是其它RTOS無法逾越的高山。ThreadX的產品涵蓋了各種領域，包括NASA的多個太空探測項目，飛機自動駕駛儀系統，火星偵察軌道器等。

注：內核技術picokernel™ architecture，preemption-threshold™ scheduling和event-chaining™已經被ThreadX注冊了商標。

3.3.1 內存需求

ThreadX最小空間需要2KB Flash空間和1KB RAM空間。這主要得益於ThreadX內核非分層的Picokernel™微內核架構和可裁剪性。

ThreadX內核各個組件需要的Flash空間如下：

3.3.2 API命名規則

ThreadX的函數命名規則是：Noun-verb naming convention （名詞動詞命名約定）。根據這個命名規格，我們實際看下個API，比如：tx_thread_create ，前綴tx，名詞thread_，動詞create。再看下面API截圖（部分函數截圖）：

基本也都符合這個命名規則。

3.3.3 實時性

ThreadX在大多數流行的處理器上實現了亞微秒的上下文切換時間。除了速度快之外，ThreadX還具有高度確定性。無論准備好200個線程還是僅准備一個線程，它都能實現相同的快速性能。

以下是ThreadX的一些典型性能特征：

快速啟動：

ThreadX的啟動時間少於120個周期。

可選的錯誤檢查機制：

當驗證了應用程序代碼並且不再需要對每個參數進行錯誤檢查時，可以在編譯時跳過ThreadX錯誤檢查，優化性能。

Picokernel™ Design（微內核設計）：

服務不會彼此套用，從而消除了不必要的函數調用開銷。

優化的中斷處理：

除非需要搶占，否則僅在ISR進入/退出時才保存/恢復暫存寄存器。

優化的API處理：

測試平台：200MHz處理器。

3.3.4 安全認證

ThreadX及其所有中間件的安全認證等級，至今沒有一款小型RTOS可以與其匹敵。這么多安全認證，公司要入大量財力，人力和物力才可以完成，早前Micrium的一篇文章還談過這個問題，投入了太多資金和人力了，還與風河的VxWorks做了簡單對比。

（1）醫療 - FDA510（k），IEC-62304 Class C，IEC-60601，ISO-14971

（2）工業 - UL-1998，IEC-61508 SIL 4

（3）運輸/鐵路 - EN50128 SIL 4，BS50128, 49CFR236，IEC-61508

（4）航空航天設備 - DO-178B，ED-12B，DO-278

（5）汽車 - IEC-61508 ASIL D

（6）核應用 - IEC-61508

（7）家電 - UL/IEC 60730/60335

ThreadX的安全認證基本都達到了最高等級，像工業級認證IEC-61508達到了最高等級的SIL4，而uCOS，RTX5，embOS都是SIL3。

除了ThreadX內核有安全認證，中間件GUIX，FileX，NetX，甚至是加密庫都有安全認證。在安全領域，ThreadX基本已經做到了登峰造極。

3.3.5 高級特性

ThreadX高級特性里面最具代表性的是搶占式閥值調度Preemption-Threshold™，此功能是ThreadX獨有的功能，並且已成為廣泛學術研究的主題。比如此貼的介紹：

http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=99801 。

具體如下：

完善的多任務機制：

線程，定時器組，消息隊列，計數信號量，互斥信號量，事件標志組，塊型內存池和字節型內存池。

支持基於優先級的搶占式調度。
支持1024個優先級設置。
支持合作調度。
Preemption-Threshold™搶占式閥值調度，ThreadX獨有的功能，有助於確保可調度性並減少上下文切換。
內存保護。
完全確定性，確定性是指在在定義的時間內處理事件和中斷，ThreadX提供完全確定性的行為，這意味着在預定義時間內（期限）處理事件和中斷。
事件跟蹤，記錄最近的n個系統/應用程序事件。
Event Chaining™事件鏈，為每個ThreadX通信或同步對象注冊一個專用的應用程序回調函數。
動態應用加載。
運行時性能指標展示：
- 恢復的任務個數。
- 掛起的任務個數。
- 請求的線程搶占次數。
- 異步線程中斷搶占次數。
- 線程優先級反轉次數。
- 線程釋放CPU權次數。
執行配置文件套件（EPK）。
獨立的中斷棧。
運行時堆棧分析。
優化的定時器中斷處理。

3.3.6 簡單易用

ThreadX簡單易用，API既直觀又功能強大，並且所有API都遵循名詞-動詞命名約定。此外，整個API都具有功能一致性。例如，所有掛起的API都有一個可選的超時時間配置，對於API而言，超時的功能相同。

構建ThreadX應用程序也比較簡單。教程的后面章節中，大家會體會到。ThreadX也有官方為其配套的用戶手冊。

3.3.7 多核支持（AMP&SMP）

ThreadX通常以非對稱多處理（Asymmetric Multiprocessing, AMP）方式使用，其中ThreadX和應用程序（或其它系統）的單獨在每個內核上執行，並通過共享內存或處理器間通信機制來相互通信，比如OpenAMP（ThreadX支持OpenAMP）。這是使用ThreadX的最典型多核配置，如果應用程序能夠有效地加載處理器，則它可能是最高效的。

對於處理器高度動態加載的環境，ThreadX對稱多處理（Symetric Multiprocessing，SMP）可用於以下內核：

ARM Cortex-Ax
ARM Cortex-Rx
ARM Cortex-A5x 64位
MIPS 34K，1004K和interAptiv
PowerPC
Synopsys ARC HS
x86

ThreadX SMP在n個處理器之間執行動態負載平衡，並允許任何Core上的任何線程訪問所有ThreadX資源（隊列，信號量，事件標志，內存池等）。ThreadX SMP在所有內核上啟用完整的API，並引入了適用於SMP操作的以下新API：

UINT tx_thread_smp_core_exclude(TX_THREAD *thread_ptr, ULONG exclusion_map);
UINT tx_thread_smp_core_exclude_get(TX_THREAD *thread_ptr, ULONG *exclusion_map_ptr);
UINT tx_thread_smp_core_get(void);
UINT tx_timer_smp_core_exclude(TX_TIMER *timer_ptr, ULONG exclusion_map);
UINT tx_timer_smp_core_exclude_get(TX_TIMER *timer_ptr, ULONG *exclusion_map_ptr);

3.3.8 應用程序動態加載，類似安卓APP

ThreadX MODULES可以使一個或多個應用程序線程可以捆綁到一個“模塊（MODULES）”中，該模塊可以在目標上動態加載和運行（或就地執行）。

ThreadX MODULES啟用現場升級（field upgrade），錯誤修復和程序分區，以允許大型應用程序僅占用活動線程所需的內存。

ThreadX MODULES還具有與ThreadX本身完全獨立的地址空間。這使ThreadX可以在MODULES周圍放置內存保護（通過MPU或MMU），這樣模塊外部的意外訪問將無法破壞任何其他軟件組件。

3.3.9 快速推向市場

ThreadX易於安裝，學習，使用，調試，驗證，認證和維護。因此，根據嵌入式市場預測專家（EMF）的調查， ThreadX在過去七年中一直是領先的上市時間RTOS。調查一致顯示，使用ThreadX的設計中有70％可以按時投放市場-超過了所有其他RTOS。

可以快速推向市場的原因：

高質量文檔。
完整的源代碼。
易於使用的API。
高級特性。
廣泛的第三方工具集成–特別是IAR。

3.3.10 高質量源代碼

從一開始，ThreadX就被設計為工業級RTOS，並附帶完整的C源代碼。ThreadX源代碼在質量和易於理解方面樹立了標桿。此外，一個函數一個源文件的方式，大大方便用戶查閱瀏覽。

ThreadX遵守嚴格的編碼規范，包括要求每行C代碼都必須有有意義的注釋。此外，ThreadX源碼已通過最高標准的認證。

3.3.11 MISRA兼容

ThreadX和ThreadX SMP源代碼符合MISRA-C：2004和MISRA C：2012。MISRA C是C語言編程規范，最初的MISRA C指南主要針對汽車應用。但是，MISRA C現在被廣泛認為適用於任何對安全性要求很高的應用。ThreadX符合MISRA-C：2004和MISRA C：2012的所有必需和強制性規則。