RTOS多線程必須要MMU才行？

前兩天看到有人說：計算機的多線程，必須要有MMU才行，否則系統(tǒng)不能正常運行。

MMU：Memory Management Unit，即內(nèi)存管理單元，它是一個“好東西”，在大型的操作系統(tǒng)中，起到了關(guān)鍵的作用。

但是，并不是所有操作系統(tǒng)都需要MMU才行，我們嵌入式中很多常用的RTOS（實時操作系統(tǒng)）沒有MMU一樣可以實現(xiàn)多線程。

只是RTOS實現(xiàn)的多線程相對大型操作系統(tǒng)要簡單一點，其原理也要簡單的多。

下面就來圍繞RTOS給大家大家關(guān)于RTOS的多線程的內(nèi)容。

多線程

1.單核“單線程”嚴(yán)格來說，單核處理器一次只能執(zhí)行一條指令，也就是說只能“單線程”。（當(dāng)然，多核處理器就不一樣）

為了在單核處理器上運行多個線程，我們實際上需要定期在線程之間進行快速切換，以便用戶感覺多個線程在并行運行。

比如處理器執(zhí)行兩個線程，處理器實際在兩個線程之間來回切換，如下圖：

2.處理器在線程之間切換，它是如何做到的？

我們說的單核處理器是“單線程”的，它有一組寄存器，我們就叫這組寄存器屬于一個“線程”。

例如，計算兩個數(shù)字的總和時：

//假設(shè)我們有兩個整數(shù)：a和b

int c = a + b ;

實際發(fā)生的情況如下所示（當(dāng)然，它取決于的MCU類型，但總體思路是相同）：

# MIPS反匯編：

LW V0， -32744（GP） # “a” 的值從RAM加載到寄存器V0

LW V1， -32740（GP） # 值“b” 從RAM加載到寄存器V1

ADDU V0， V1， V0 # a、b值相加，結(jié)果保存到寄存器V0中

SW V0， -32496（GP） # 寄存器V0的值存儲在RAM中（變量c所在的位置）

你會發(fā)現(xiàn)上面執(zhí)行了4個動作，但是搶占式操作系統(tǒng)可以在任何時候搶占另一個線程，包括在這4個動作之間。

假如在這過程中有其他線程搶占了，其他線程同樣搶占了當(dāng)前線程V0、 V1，如果不對V0、 V1進行保存，那么下次回來執(zhí)行當(dāng)前線程，結(jié)果就會出錯。

所以，針對當(dāng)前這種問題，我們就需要在切換線程之前，對V0、 V1的數(shù)值進行保存，當(dāng)下次切換到當(dāng)前線程，再恢復(fù)V0、 V1的數(shù)值，大致流程如下：

大概意思就是：當(dāng)我們需要從一個線程切換到另一個線程時，內(nèi)核獲得控制權(quán)，執(zhí)行必要的內(nèi)務(wù)處理（至少要保存和恢復(fù)寄存器值），然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到下一個線程以運行。

線程的堆棧

上面說的搶占位置，到底在哪里，每個線程保存在哪個寄存器值中？這就是線程的堆棧的內(nèi)容。

在有MMU的操作系統(tǒng)中，（用戶的）線程堆?？梢园葱鑴討B(tài)增長：線程需要的堆?？臻g越多，線程堆棧就越多（如果內(nèi)核允許）。

但是，我們一般的MCU卻沒有MMU這個“高端”的東西，所有RAM都靜態(tài)映射到地址空間。因此，每個線程都會有用于堆棧的RAM空間，如果線程使用的RAM超過堆棧的數(shù)量，則會導(dǎo)致內(nèi)存溢出或細(xì)微的錯誤。（實際上，每個線程的堆?？臻g只是一連續(xù)數(shù)組空間）。

因此，當(dāng)我們決定為每個線程分配多少堆棧時，我們只是估計可能需要多少堆棧，但是具體多少可能不是很清楚。

比如，如果這是一個具有多層嵌套調(diào)用的GUI線程，則可能需要數(shù)個千字節(jié)，但如果它是一個流水燈的小線程，則可能幾十字節(jié)就足夠了。

假設(shè)我們有三個線程，它們的堆棧消耗如下：

如上面所述，每個線程的寄存器值都保存在線程的堆棧中。線程的寄存器值集稱為線程的“上下文”。如下圖所示（線程A為在正在執(zhí)行的“活動線程”）：

請注意，在正在執(zhí)行的線程A的上下文沒有保存在堆棧中，堆棧指針指向線程A用戶數(shù)據(jù)的頂部，并且當(dāng)前處理器的寄存器專用于線程A。

當(dāng)內(nèi)核決定將控制權(quán)切換到線程B時，它將執(zhí)行以下操作：

將所有寄存器值保存到堆棧中（保存到線程A堆棧的頂部）；

將堆棧指針切換到線程B的堆棧頂部；

從堆棧（從線程B的堆棧頂部）恢復(fù)所有寄存器值；

此時，你會看到：

中斷（ISR）搶占

上面在執(zhí)行過程中，或進行上下文切換時，還可能會涉及到一個非常重要的內(nèi)容：中斷。

MCU通常具有外設(shè)：TIM、UART、 SPI、 CAN等，它們隨時都能發(fā)生重要事件以觸發(fā)中斷。

中斷條件是當(dāng)當(dāng)前正在執(zhí)行的線程暫停時，處理器在一段時間內(nèi)執(zhí)行其他操作（Handles Interrupt），然后返回。中斷可能隨時觸發(fā)，我們應(yīng)該做好處理的準(zhǔn)備。

中斷處理程序稱為ISR（中斷服務(wù)程序）：中斷可能具有不同的優(yōu)先級，例如，如果觸發(fā)了一些低優(yōu)先級的中斷，則當(dāng)前正在執(zhí)行的線程將暫停，并且ISR會獲得控制權(quán)。然后，如果觸發(fā)了某個高優(yōu)先級中斷，則當(dāng)前正在執(zhí)行的ISR將再次暫停，并為該高優(yōu)先級中斷運行一個新的ISR。

這樣一來，完成后，控制權(quán)將返回到第一個ISR，并且在完成時，也會恢復(fù)被中斷的線程。

重要的關(guān)鍵代碼：在線程活躍過程中，如果有重要的事情“關(guān)鍵的代碼”，在這過程中如果中斷發(fā)生，很容易導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。

這部分關(guān)鍵的代碼，我們需要要保護起來，通常我們的做法就是：在之前“關(guān)鍵代碼”之前禁用全局中斷，執(zhí)行完之后，開始全局中斷。

有點需要注意：關(guān)閉全局中斷，此時就不會相應(yīng)中斷，所以，“關(guān)鍵代碼”不能太長。

中斷堆棧

在上面說到一點，高優(yōu)先級中斷搶占低優(yōu)先中斷，就會出現(xiàn)一個問題：低優(yōu)先級的代碼需要和線程一樣，用于保存數(shù)據(jù)的堆棧。

一般有兩種方法：

使用被中斷的線程堆棧；

為中斷使用單獨的堆?？臻g；

1.使用被中斷的線程堆棧如果使用被中斷的線程堆棧，就類似如下圖：

這種情況存在你一個嚴(yán)重的問題，你知道是什么嗎？

頻繁中斷，或者中斷較多，線程自身的堆?？臻g就會很快被使用完。

每個線程的堆棧都應(yīng)該包含以下內(nèi)容：

線程自己的數(shù)據(jù)；

線程的上下文；

用于執(zhí)行最壞情況的ISR的數(shù)據(jù)。

因此，我們就需要換一種方法，為為所有ISR中斷開辟單獨的堆棧空間。

2.為中斷使用單獨的堆?？臻g

為中斷使用單獨的堆棧空間大致如上圖所示。

好了，本文講述了上面幾種關(guān)于搶占，以及相關(guān)的內(nèi)容，你學(xué)會了幾點？