rt-thread 優(yōu)化系列（0） SysTick 優(yōu)化分析

前言

論壇里有人提出了一個疑問，說 STM32 系列 bsp 在初始化系統(tǒng)時鐘的過程中使用到了 tick ，而 tick 需要初始化并使能 SysTick 中斷。但是呢，SysTick 中斷中有 rtt 的 tick 以及硬定時器檢測，以及可能存在的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。初始化時鐘是極其早期必須完成的工作，這個時候別說系統(tǒng)了，其它外圍設(shè)備也沒有被初始化。由此產(chǎn)生一個問題，極其早期使用了比較后期的資源，同時，因為需要使用 SysTick 中斷而簡單粗暴地使用 `__set_PRIMASK` 使能了總中斷?。?！這是萬萬不可取的。

有人發(fā)現(xiàn)了這一矛盾之處，在[論壇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2857.html) 里和 gitee 的 [issue]( https://gitee.com/rtthread/rt-thread/pulls/246) 里也是各執(zhí)己見，熱鬧非凡。

下面我講講我的處理方案。

理論前提

1. rtt 標(biāo)榜的是實時操作系統(tǒng)，對于系統(tǒng)中頻繁執(zhí)行的代碼需要嚴格審查，保證沒有一行多余代碼。（非實時操作系統(tǒng)也不希望自己多數(shù)時候空跑一條無用的代碼）
2. 中斷是個很棘手的東西，在不確定開中斷會引起什么后果的時候，堅決不能開中斷。
3. rtt 系統(tǒng)啟動是有它自己的流程的。分階段的，任何資源的初始化都有個階段以及先后順序。
4. 板級初始化，如非必要，如果可以延遲盡量延遲，先保證 rtt 內(nèi)核調(diào)度運行起來。

基于以上幾點，我的修改方案如下。

預(yù)初始化 SysTick

上電后，MCU 默認使用的內(nèi)部晶振，時鐘也是默認值，這個時候使用默認值初始化 SysTick，但是**不開啟中斷**！?。?br /> 在 STM32 的 bsp 里，因為有如下調(diào)用關(guān)系 `rt_hw_board_init` -> `HAL_Init` -> `HAL_InitTick`。
`HAL_InitTick` 在 hal 里是弱實現(xiàn)，'drv_common.c' 重新實現(xiàn)并且是個空函數(shù)，這里可以借用一下。

/* re-implement tick interface for STM32 HAL */
HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
   HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq() / RT_TICK_PER_SECOND);
   /* Return function status */
   return HAL_OK;
}

初始化系統(tǒng)時鐘

第二步配置時鐘頻率，切換內(nèi)外時鐘或者倍頻等等操作。中間如果有延時等待的需求，可以使用 SysTick 實現(xiàn) udelay 短延時，進而通過 while 循環(huán)累積達到等待超時的效果。
首先，在 'drv_common.c' 文件里添加 `HAL_uDelay` 微秒延時實現(xiàn)，其實就是調(diào)用 `rt_hw_us_delay` 。
然后，在 'stm32xxx_hal_conf.h' 頭文件末尾添加一個通用宏定義：

#define HAL_WAITFOR_CONDITION(condition, ms) do { \
 uint32_t cnt = 0; \
 while((condition)) { \
   if (cnt > (ms) * 1000 / 10) \
   { \
       return HAL_TIMEOUT; \
   } \
   HAL_uDelay(10); \
   cnt++; \
 }\
} while(0)

其中，condition 是等待條件，ms 是等待超時時間。
因為 udelay 了 10us ，所以整體的精度就是 10us ，時間損失可以控制在 10us 內(nèi)。

涉及到的函數(shù)有 `HAL_RCC_OscConfig` `HAL_PWREx_EnableOverDrive` `HAL_RCC_ClockConfig` `HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig` 等。
其中一處修改前后

       /* Get Start Tick */
       tickstart = HAL_GetTick();
       /* Wait till HSE is ready */
       while(__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET)
       {
         if((HAL_GetTick() - tickstart ) > HSE_TIMEOUT_VALUE)
         {
           return HAL_TIMEOUT;
         }
       }

       /* Wait till HSE is ready */
       HAL_WAITFOR_CONDITION((__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET), HSE_TIMEOUT_VALUE);

其它地方如法炮制，只是把等待條件和等待時間添加到宏函數(shù)里。

rt_hw_board_init 調(diào)整

調(diào)整后的代碼如下：
1. 去掉開啟關(guān)閉全局中斷操作；
2. 提前控制臺串口初始化；
3. 堆棧的初始化并不需要那么著急，但是必須在 rt_components_board_init 之前；
4. gpio 初始化也在 rt_components_board_init 之前。

其中 2-4 的調(diào)整是調(diào)試需求控制臺。
最終結(jié)果如下。

RT_WEAK void rt_hw_board_init()
{
#ifdef SCB_EnableICache
   /* Enable I-Cache---------------------------------------------------------*/
   SCB_EnableICache();
#endif
#ifdef SCB_EnableDCache
   /* Enable D-Cache---------------------------------------------------------*/
   SCB_EnableDCache();
#endif

   /* HAL_Init() function is called at the beginning of the program */
   HAL_Init();

   /* System clock initialization */
   SystemClock_Config();

   rt_hw_systick_init();

   /* USART driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_SERIAL
   rt_hw_usart_init();
#endif

   /* Set the shell console output device */
#ifdef RT_USING_CONSOLE
   rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);
#endif

   /* Pin driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_PIN
   rt_hw_pin_init();
#endif

   /* Heap initialization */
#if defined(RT_USING_HEAP)
   rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);
#endif

   /* Board underlying hardware initialization */
#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
   rt_components_board_init();
#endif
}

修改 `rt_hw_systick_init`

去掉 `rt_hw_systick_init` 函數(shù)中使能 SysTick 中斷的操作。添加使能 SysTick 中斷函數(shù)。

void rt_hw_systick_irq_enable(void)
{
   HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}

修改 `rtthread_startup`

添加使能 SysTick 中斷處理。

   rt_hw_systick_irq_enable();
      /* start scheduler */
   rt_system_scheduler_start();

SysTick_Handler 異常響應(yīng)

目前，`SysTick_Handler` 函數(shù)就下面這么清爽，不需要考慮并行增加 hal 的tick值。

void SysTick_Handler(void)
{
   /* enter interrupt */
   rt_interrupt_enter();
      rt_tick_increase();

   /* leave interrupt */
   rt_interrupt_leave();
}

運行測試

修改后系統(tǒng)啟動正常，運行正常。
RCC 初始化過程如果失敗，等待超時也能正常超時返回。
經(jīng)過初步驗證，不使用 SysTick 前提下初始化配置硬件的可行性還是有的。

其它可行性

這次嘗試僅限于最小范圍，僅僅考慮了系統(tǒng)時鐘配置過程，未考慮其它板級外設(shè)配置過程?？紤]到 hal 是比較龐大的，每次 hal 升級都把所有的 hal 文件修改一遍工作量也是不小的。這樣也不方便。如果降低修改范圍，只修改 RCC 相關(guān)部分，其它外設(shè)配置仍然想正常使用 SysTick ，有一種方法就是繼續(xù)提前系統(tǒng)調(diào)度的啟動時間點。
鑒于此，系統(tǒng)啟動流程大致如下
1. 配置系統(tǒng)時鐘，同時配置 SysTick（同前）；
2. 初始化 rtt 系統(tǒng)調(diào)度器；
3. 初始化 idle 線程；
4. 啟動 SysTick 中斷；
5. 啟動 idle 線程并啟動 rtt 系統(tǒng)調(diào)度；
6. 由 idle 線程初始化調(diào)試串口；
7. 由 idle 線程初始化內(nèi)存堆；
8. 由 idle 線程調(diào)用執(zhí)行 `rt_components_board_init` 初始化板級外設(shè)配置；
9. 由 idle 線程創(chuàng)建 main 和 soft timer 線程。
10. main 線程進行組件初始化配置，以及創(chuàng)建其它應(yīng)用線程。

由此，可以做到以下幾點：
1. 保障所有操作都在是線程中進行的。省去很多 `if (rt_thread_self() != RT_NULL)` 的操作；
2. 保障中斷可以及早放心打開；
3. 明確啟動流程，確定啟動流程每一階段的工作重點以及必須完成的任務(wù)。

缺點，因 idle 線程工作量變多，idle 線程?？赡軙容^大。一個空閑線程占用過多的內(nèi)存也是浪費。另外，多核處理器的 idle 線程數(shù)量和核心數(shù)量一樣，由哪個 idle 線程完成上面的工作也需要做個抉擇。

> 本優(yōu)化系列所有提到的更改已經(jīng)提交到 gitee ，歡迎大家測試
https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo

審核編輯：湯梓紅