RTT之为什么学些操作系统
文章目录
- 我们为什么要学习操作系统呢？
- 一、多线程系统
- 二、定义线程栈
- 三、定义线程控制块
- 四、定义就绪列表
- 五、实现调度器
- 六、临界段的保护
- 七、对象
- 八、容器
- 九、空闲线程和阻塞延时
- 十、SysTick_Handler中断服务
- 十一、支持多优先级
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- 1.就绪列表
- 2.线程就绪优先级组
- 3.寻找优先级最高的线程
- 十二、定时器的实现
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- 1.定时器实现方法
- 2.支持时间片
- 说明：此文章所有内容都摘录至野火出版的《RTT内核实现与应用开发实战》书籍，由本人整理上传。
我们为什么要学习操作系统呢？
随着产品的功能越来越多，单纯的裸机系统已经不能够完美地解决问题，反而会使编程变得更加复杂，如果想要降低编程的难度，我们可以考虑引入RTOS实现多线程管理，这是使用RTOS的最大优势。
一、多线程系统
相比于前后台系统，多线程系统的事件响应也是在中断中完成的，但是事件的处理是在线程中完成的。在多线程系统中，线程跟中断一样，也具有优先级，优先级高的线程会被优先执行。当一个紧急的事件在中断被标记之后，如果事件对应的线程的优先级足够高，就会立马得到响应。相比前后台系统，多线程系统的实时性又被提高了。
相比前后台系统中后台顺序执行的程序主体，在多线程系统中，根据程序的功能，我们把这个程序主体分割成一个个独立的，无限循环且不能返回的小程序，这个小程序我们称之为线程。
每个线程都是独立的，互不干扰的，且具备自身的优先级，它由操作系统调度管理。加入操作系统后，我们在编程的时候不需要精心地去设计程序的执行流，不用担心每个功能模块之间是否存在干扰。加入了操作系统，我们的编程反而变得简单了。整个系统随之带来的额外开销就是操作系统占据的那一丁点的flash和RAM。
二、定义线程栈
如果要写一个RTOS，我们必须弄清楚全局变量，局部变量他们是如何存储的。在裸机系统中，他们统统放在一个叫栈的地方，栈是单片机RAM里面一段连续的内存空间，栈的大小一般在启动文件或者链接脚本里面指定，最后由c库简述main进行初始化。
在多线程系统中，每个线程都是独立的，互不干扰，所以要为每个线程都分配独立的栈空间，这个栈空间通常是一个预先定义好的全局数组，也可以是动态分配的一段内存空间，但他们都存在于RAM中。
三、定义线程控制块
在裸机系统中，程序的主体是CPU按照顺序执行的。而在多线程系统中，线程的执行是由系统调度的。系统为了顺利的调度线程，为每个线程都额外定义了一个线程控制块，这个线程控制块就相当于线程的身份证，里面存有线程的所有信息，比如线程的栈指针，线程名称，线程的形参等。
线程的栈，线程的函数实体，线程的控制块最终需要联系起来才能由系统进行统一调度。
那么这个联系的工作就由线程初始化函数rt_thread_init()来实现。
四、定义就绪列表
线程创建好之后，我们需要把线程添加到就绪列表里面，表示线程已经就绪，系统随时可以调度。
五、实现调度器
调度器是操作系统的核心，其主要功能就是实现线程的切换，即从就绪列表里面找到优先级最高的线程，然后去执行该线程。
六、临界段的保护
临界段用一句话概括就是一段在执行的时候不能被中断的代码段。在RT_Thread里面，这个临界段最常出现的就是对全局变量的操作，全局变量就好像是一个枪靶子，谁都可以对他开枪，但是我开枪的时候，你就不能开枪，否则就不知道是谁命中了靶子。
七、对象
什么是对象？
在RT-Thread中，所有的数据结构都称之为对象。
对象枚举定义：
其中线程，信号量，互斥量、事件、邮箱、消息队列、内存堆、内存池、设备和定时器在rtdef.h中有明显的枚举定义，即为每个对象打上了一个数字标签。
八、容器
什么是容器？
在rtt中，每当用户创建一个对象，如线程，就会将这个对象放到一个叫做容器的地方，这样做的目的是为了方便管理。
在RT-Thread的组件finsh的使用中，就需要使用到容器，通过扫描容器的内核对象来获取各个内核对象的状态，然后输出调试信息。
九、空闲线程和阻塞延时
使用RTOS的很大优势就是榨干CPU的性能，永远不能让它闲着，线程如果需要延时也就不能再让CPU空等来实现延时的效果。RTOS中的延时叫阻塞延时，即线程需要延时的时候，线程会放弃CPU的使用权，CPU可以去干其它的事情，当线程延时时间到，重新获取CPU的使用权，线程继续运行，这样就充分利用了CPU的资源，而不是干等着。
如果没有其他线程可以运行，RTOS都会为CPU创建一个空闲线程，这个时候CPU就运行空闲线程。在RT-Thread中，空闲线程是系统初始化的时候创建的优先级最低的线程，空闲线程主体主要是做一些系统内存的清理工作。
鉴于空闲线程的这种特性，在实际应用中，当系统进入空闲线程的时候，可在空闲线程中让单片机进入休眠或者低功耗等操作。
十、SysTick_Handler中断服务
在系统调度函数rt_schedule()中，会判断每个线程的线程控制块中的延时成员remaining_tick的值是否为0，如果为0就要将对应的线程就绪，如果不为0就继续延时。
如果一个线程要延时，一开始remaining_tick肯定不是0，当remaining_tick变为0的时候，表示延时结束.
在RT-Thread中，这个周期由Systick中断提供，操作系统里面的最小的时间单位就是SysTick的中断周期，我们称之为一个tick。
十一、支持多优先级
在RT_Thread中，数字优先级越小，逻辑优先级越高。
1.就绪列表
RT_Thread要支持多优先级，需要靠就绪列表的支持，从代码上看，就绪列表由两个在scheduler.c文件定义的全局变量组成，一个是线程就绪优先级组rt_thread_ready_priority_group,另外一个是线程优先级表rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX].
2.线程就绪优先级组
为了快速的找到线程在线程优先级表的插入和移除的位置，RT_Thread专门设计了一个线程就绪优先级组。从代码上看，线程就绪优先级组就是一个32位的整形数，每一个位对应一个优先级。一个就绪优先级组最多只能表示32个优先级，如果优先级超过32个怎么办，则可以定义一个线程就绪优先级数组，每一个数组成员都可以表示32个优先级，具体支持多少由系统的RAM的大小决定。
3.寻找优先级最高的线程
RT-Thread是一个根据优先级来调度的抢占式实时操作系统，即在每个系统周期到来时，调度器都会扫描就绪列表，选取优先级最高的线程去执行。
十二、定时器的实现
1.定时器实现方法
在RT_Thread中，每个线程都内置一个定时器，当线程需要延时的时候，则先将线程挂起，然后内置的定时器就会启动，并且将定时器插入到一个全局的系统定时器列表rt_timer_list，这个全局的系统定时器列表维护着一条双向链表，每个节点代表了正在延时的线程的定时器，节点按照延时时间大小做升序排列。当每次时基中断（SysTick中断）来临时，就扫描系统定时器列表的第一个定时器，看看延时时间是否到，如果到则让该定时器对应的线程就绪，如果延时时间不到，则退出扫描，因为定时器节点是按照延时时间升序排列的，第一个定时器延时时间不到期的话，那后面的定时器延时时自然不到期。比起第一种方法，这种方法就大大缩短了寻找延时到期的线程的时间。
2.支持时间片
在RT_Thread中，当同一个优先级下有两个或两个以上线程的时候，线程支持时间片功能，即我们可以指定线程持续运行一次的时间，单位为tick。