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 目录

一、什么是RTOS

二、UCOSII

三、RT-Thread

3.1、自动初始化机制

 3.2、线程管理

3.3、线程间同步

3.4、线程间通信

3.5、内存管理

四、参考资料

4.1、RT-Thread

一、什么是RTOS

在裸机上写程序，例如51，通常分为两部分：前台系统（中断，中断嵌套）和后台系统（while）

RTOS，实时操作系统，实时性，核心内容在于：实时内核

RTOS操作系统：FreeRTOS，UCOS，RTX，RT-Thread，DJYOS等

二、UCOSII

1.UCOS2中，使用的是抢占实时调度算法，调度原则是在每一个systick（系统时间，每隔一段时间进去一次中断切换任务）的hanlder中，都要去判断下64个任务中所有处于就绪态的任务里，谁的优先级高，就执行谁。

2.ucosii的就绪表设计：64个任务，8个组每个组8个任务，用一个字节的每个位表示这8个组

rdyGrp这个变量拆成8个位来使用，这个变量的值反映哪一个组有就绪任务，然后去查对应的rdytbl

3.任务切换核心：保存上下文（私有栈），恢复要去执行的上下文，然后跳转任务中执行。

4.任务状态：运行态，就绪态，休眠态，挂起态

5.解决临界区有3种方法，中断关闭和使能，中断状态保存到栈，中断状态保存在本地的局部变量

6.函数运行需要栈（存放局部变量）支持，在单片机中整个程序一个栈，OS中因为有任务（进程线程概念）所以需要很多个独立的栈（私有栈）。

7.运行起来后最少有2个任务（也就是进程的概念），状态任务（30）统计各种状态参数（CPU使用率，内存使用率），空任务（31）什么都不干。

互斥锁：1个资源互斥访问，资源保护，任务同步，多个任务等待和唤醒

信号量：至少2个多资源的互斥访问

优先级翻转：ABC任务(a>b>c)，c拿到资源，这时候a要资源运行(拿不到所以不能运行)，这个时候b事件抢占了资源运行了(a<b>c)。a优先级是最高的但是b先执行了。

如何解决优先级翻转：优先级天花板(拿到资源后优先级提升到最高)，优先级继承(谁拿资源就设置为谁的优先级)

旗标：flag实质是16u变量，每一bit代表一个含义，任务通过判断flag状态，从而决定任务运行轨迹(主要用途是任务之间同步)

队列：缓冲，速率匹配，循环使用(接收数据太多，处理跟不上)(可以用数组也可以链表实现，栈因为简单数组来实现就是)

三、RT-Thread

1.在进入main函数之前会先去$Sub$$前缀的main，在原有函数的名字前加上$Sub$$前缀可以将原有函数劫持下来，并通过加上$Super$$前缀再调用原始函数。

3.1、自动初始化机制

• 通过2个函数实现初始化rt_components_board_init() 与 rt_components_init()

都是使用的else后面的实现，通过把函数指针挨个放入到区间段，然后for遍历挨个实现函数的初始化

用typedef 定义了一个函数指针类型init_fn_t

typedef int (*init_fn_t)(void);

void rt_components_board_init(void)
{
#if RT_DEBUG_INIT
    int result;
    const struct rt_init_desc *desc;
    for (desc = &__rt_init_desc_rti_board_start; desc < &__rt_init_desc_rti_board_end; desc ++)
    {
        rt_kprintf("initialize %s", desc->fn_name);
        result = desc->fn();
        rt_kprintf(":%d done\n", result);
    }
#else
    const init_fn_t *fn_ptr;

    for (fn_ptr = &__rt_init_rti_board_start; fn_ptr < &__rt_init_rti_board_end; fn_ptr++)
    {
        (*fn_ptr)();
    }
#endif
}

/**
 * RT-Thread Components Initialization
 */
void rt_components_init(void)
{
#if RT_DEBUG_INIT
    int result;
    const struct rt_init_desc *desc;

    rt_kprintf("do components intialization.\n");
    for (desc = &__rt_init_desc_rti_board_end; desc < &__rt_init_desc_rti_end; desc ++)
    {
        rt_kprintf("initialize %s", desc->fn_name);
        result = desc->fn();
        rt_kprintf(":%d done\n", result);
    }
#else
    const init_fn_t *fn_ptr;

    for (fn_ptr = &__rt_init_rti_board_end; fn_ptr < &__rt_init_rti_end; fn_ptr ++)
    {
        (*fn_ptr)();
    }
#endif
}

• 如何把函数指针放入到指定位置的，通过宏实现

查看宏代码，fn是函数名，指针

#define INIT_EXPORT(fn, level)


/* board init routines will be called in board_init() function */
#define INIT_BOARD_EXPORT(fn)           INIT_EXPORT(fn, "1")

/* pre/device/component/env/app init routines will be called in init_thread */
/* components pre-initialization (pure software initilization) */
#define INIT_PREV_EXPORT(fn)            INIT_EXPORT(fn, "2")
/* device initialization */
#define INIT_DEVICE_EXPORT(fn)          INIT_EXPORT(fn, "3")
/* components initialization (dfs, lwip, ...) */
#define INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)       INIT_EXPORT(fn, "4")
/* environment initialization (mount disk, ...) */
#define INIT_ENV_EXPORT(fn)             INIT_EXPORT(fn, "5")
/* appliation initialization (rtgui application etc ...) */
#define INIT_APP_EXPORT(fn)             INIT_EXPORT(fn, "6")

继续展开INIT_EXPORT，init_fn_t函数指针，其##为连接符，整体就是把fn函数的地址赋值给__rt_init_fn这个函数指针。（例如fn函数名为rti_start，函数指针就是__rt_init_rti_start）

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#define INIT_EXPORT(fn, level)                                                       \
            RT_USED const init_fn_t __rt_init_##fn SECTION(".rti_fn." level) = fn

#define SECTION(x)                  __attribute__((section(x)))

展开SECTION

_attribute_((section(x))) ：将作用的函数或数据放入指定名为x（level）的输入段中。（在不同的编译器中实现的方式也有所不同。)
总结：作用就是将函数 fn 的地址赋给一个 __rt_init_fn 的指针，然后放入相应 level 的数据段中。所有函数使用自动初始化宏导出后，这些数据段中就会存储指向各个初始化函数的指针。

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 3.2、线程管理

• 线程功能特点

RT-Thread 的线程调度器是抢占式的，主要的工作就是从就绪线程列表中查找最高优先级线程，保证最高优先级的线程能够被运行。线程切换时，先将当前线程上下文保存起来，当再切回到这个线程时，线程调度器将该线程的上下文信息恢复。

系统线程有2个，主线程（main）和空闲线程

• 线程状态

初始状态，就绪状态，运行状态，挂起状态，关闭状态

• 优先级和时间片

优先级：0为最高优先级，最低优先级默认分配给空闲线程（回收被删除线程的资源，在空闲线程运行时会调用该钩子函数，适合钩入功耗管理、看门狗喂狗等工作）

时间片：时间片起到约束线程单次运行时长的作用

• 动态线程与静态线程

动态线程与静态线程的区别是：动态线程是系统自动从动态内存堆上分配栈空间与线程句柄（初始化 heap 之后才能使用 create 创建动态线程），静态线程是由用户分配栈空间与线程句柄。

3.3、线程间同步

• 线程的同步方式

线程的同步方式有很多种，信号量（semaphore）、互斥量（mutex）、和事件集（event）等。其核心思想都是：在访问临界区的时候只允许一个 (或一类) 线程运行。

• 信号量

线程可以获取或释放它，从而达到同步或互斥的目的。每个信号量对象都有一个信号量值和一个线程等待队列。获取信号量，值就-1，释放就+1.

可以运用在多种场合中。形成锁、同步、资源计数等关系（生产者消费者）

锁，单一的锁常应用于多个线程间对同一共享资源（即临界区）的访问

中断与线程间的互斥不能采用信号量（锁）的方式，而应采用开关中断的方式（中断释放信号量，线程处理数据）。

资源计数适合于线程间工作处理速度不匹配的场合（如生产者消费者）

• 互斥量

互斥量和信号量不同的是：拥有互斥量的线程拥有互斥量的所有权，互斥量支持递归访问且能防止线程优先级翻转；并且互斥量只能由持有线程释放，而信号量则可以由任何线程释放。

互斥量解决优先级翻转，实现的是优先级继承协议

互斥量的使用比较单一

（1）线程多次持有互斥量的情况下。这样可以避免同一线程多次递归持有而造成死锁的问题。

（2）可能会由于多线程同步而造成优先级翻转的情况。

• 事件集

一个事件集可以包含多个事件，利用事件集可以完成一对多，多对多的线程间同步。

一个线程与多个事件的关系可设置为：其中任意一个事件唤醒线程，或几个事件都到达后才唤醒线程进行后续的处理；

线程通过 “逻辑与” 或“逻辑或”将一个或多个事件关联起来，形成事件组合。

1）事件只与线程相关，事件间相互独立：每个线程可拥有 32 个事件标志，采用一个 32 bit 无符号整型数进行记录，每一个 bit 代表一个事件；

2）事件仅用于同步，不提供数据传输功能；

3）事件无排队性，即多次向线程发送同一事件 (如果线程还未来得及读走)，其效果等同于只发送一次。

与信号量不同的是，事件的发送操作在事件未清除前，是不可累计的，而信号量的释放动作是累计的。信号量只能识别单一的释放动作，而不能同时等待多种类型的释放。

3.4、线程间通信

• 邮箱

邮箱用于线程间通信，特点是开销比较低，效率较高。邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的 4 字节内容（针对 32 位处理系统，指针的大小即为 4 个字节，所以一封邮件恰好能够容纳一个指针）即邮箱也可以传递指针

• 消息队列

消息队列是一种异步的通信方式。先进先出原则 (FIFO)。

消息队列可以应用于发送不定长消息的场合，包括线程与线程间的消息交换

• 信号

信号本质是软中断，用来通知线程发生了异步事件，用做线程之间的异常通知、应急处理。

3.5、内存管理

实时系统苛刻：内存分配的时间必须确定，随着运行时间推移内存变的碎片化，内存大小

针对上层应用和系统资源不同分为两类：内存堆管理与内存池管理

而内存堆管理又根据具体内存设备划分为三种情况：

第一种是针对小内存块的分配管理（小内存管理算法）；

第二种是针对大内存块的分配管理（slab 管理算法）；

第三种是针对多内存堆的分配情况（memheap 管理算法）

• 内存堆管理

内存堆管理器可以分配任意大小的内存块，非常灵活和方便。但其也存在明显的缺点：一是分配效率不高，在每次分配时，都要空闲内存块查找；二是容易产生内存碎片。

小内存管理算法，slab 管理算法，memheap 管理算法

• 内存池

避免内存碎片的策略是使用 内存池 + 内存堆 混用的方法。

用于分配大量大小相同的小内存块，它可以极大地加快内存分配与释放的速度，且能尽量避免内存碎片化。支持线程挂起功能：当无空闲内存时申请线程会被挂起（内存资源进行同步的场景，如播放器）

四、参考资料

4.1、RT-Thread

1.RT-Thread 官网 

2.RT-Thread 文档中心

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