如何對(duì)RT-Thread內(nèi)核有基本的了解？

內(nèi)核的連載內(nèi)容包括 RT-Thread 內(nèi)核基礎(chǔ)：內(nèi)核簡(jiǎn)介、系統(tǒng)的啟動(dòng)流程及內(nèi)核配置的部分內(nèi)容，以上內(nèi)容都是為后面的章節(jié)奠定基礎(chǔ)。本章內(nèi)容將分為3篇連載！

RT-Thread 內(nèi)核的簡(jiǎn)單介紹，從軟件架構(gòu)入手講解實(shí)時(shí)內(nèi)核的組成與實(shí)現(xiàn)，這部分給初學(xué)者引入一些 RT-Thread 內(nèi)核相關(guān)的概念與基礎(chǔ)知識(shí)，讓初學(xué)者對(duì)內(nèi)核有初步的了解。學(xué)完本章內(nèi)容以后，讀者將會(huì)對(duì) RT-Thread 內(nèi)核有基本的了解，知道內(nèi)核的組成部分、系統(tǒng)如何啟動(dòng)、內(nèi)存分布情況以及內(nèi)核配置方法。

RT-Thread 內(nèi)核介紹

內(nèi)核是操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是最重要的部分。下圖為 RT-Thread 內(nèi)核架構(gòu)圖，內(nèi)核處于硬件層之上，內(nèi)核部分包括內(nèi)核庫(kù)、實(shí)時(shí)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)核庫(kù)是為了保證內(nèi)核能夠獨(dú)立運(yùn)行的一套小型的類似 C 庫(kù)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)子集。這部分根據(jù)編譯器的不同自帶 C 庫(kù)的情況也會(huì)有些不同，當(dāng)使用 GNU GCC 編譯器時(shí)，會(huì)攜帶更多的標(biāo)準(zhǔn) C 庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)包括：對(duì)象管理、線程管理及調(diào)度器、線程間通信管理、時(shí)鐘管理及內(nèi)存管理等等，內(nèi)核最小的資源占用情況是 3KB ROM，1.2KB RAM。

線程調(diào)度

線程是 RT-Thread 操作系統(tǒng)中最小的調(diào)度單位，線程調(diào)度算法是基于優(yōu)先級(jí)的全搶占式多線程調(diào)度算法，即在系統(tǒng)中除了中斷處理函數(shù)、調(diào)度器上鎖部分的代碼和禁止中斷的代碼是不可搶占的之外，系統(tǒng)的其他部分都是可以搶占的，包括線程調(diào)度器自身。支持 256 個(gè)線程優(yōu)先級(jí)（也可通過(guò)配置文件更改為最大支持 32 個(gè)或 8 個(gè)線程優(yōu)先級(jí)，針對(duì) STM32 默認(rèn)配置是 32 個(gè)線程優(yōu)先級(jí)），0 優(yōu)先級(jí)代表最高優(yōu)先級(jí)，最低優(yōu)先級(jí)留給空閑線程使用；同時(shí)它也支持創(chuàng)建多個(gè)具有相同優(yōu)先級(jí)的線程，相同優(yōu)先級(jí)的線程間采用時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度，使每個(gè)線程運(yùn)行相應(yīng)時(shí)間；另外調(diào)度器在尋找那些處于就緒狀態(tài)的具有最高優(yōu)先級(jí)的線程時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間是恒定的，系統(tǒng)也不限制線程數(shù)量的多少，線程數(shù)目只和硬件平臺(tái)的具體內(nèi)存相關(guān)。

線程管理將在后面的《線程管理》章節(jié)詳細(xì)介紹。

時(shí)鐘管理

RT-Thread 的時(shí)鐘管理以時(shí)鐘節(jié)拍為基礎(chǔ)，時(shí)鐘節(jié)拍是 RT-Thread 操作系統(tǒng)中最小的時(shí)鐘單位。RT-Thread 的定時(shí)器提供兩類定時(shí)器機(jī)制：第一類是單次觸發(fā)定時(shí)器，這類定時(shí)器在啟動(dòng)后只會(huì)觸發(fā)一次定時(shí)器事件，然后定時(shí)器自動(dòng)停止。第二類是周期觸發(fā)定時(shí)器，這類定時(shí)器會(huì)周期性的觸發(fā)定時(shí)器事件，直到用戶手動(dòng)的停止定時(shí)器否則將永遠(yuǎn)持續(xù)執(zhí)行下去。

另外，根據(jù)超時(shí)函數(shù)執(zhí)行時(shí)所處的上下文環(huán)境，RT-Thread 的定時(shí)器可以設(shè)置為 HARD_TIMER 模式或者 SOFT_TIMER 模式。

通常使用定時(shí)器定時(shí)回調(diào)函數(shù)（即超時(shí)函數(shù)），完成定時(shí)服務(wù)。用戶根據(jù)自己對(duì)定時(shí)處理的實(shí)時(shí)性要求選擇合適類型的定時(shí)器。

定時(shí)器將在后面的《時(shí)鐘管理》章節(jié)展開(kāi)講解。

線程間同步

RT-Thread 采用信號(hào)量、互斥量與事件集實(shí)現(xiàn)線程間同步。線程通過(guò)對(duì)信號(hào)量、互斥量的獲取與釋放進(jìn)行同步；互斥量采用優(yōu)先級(jí)繼承的方式解決了實(shí)時(shí)系統(tǒng)常見(jiàn)的優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。線程同步機(jī)制支持線程按優(yōu)先級(jí)等待或按先進(jìn)先出方式獲取信號(hào)量或互斥量。線程通過(guò)對(duì)事件的發(fā)送與接收進(jìn)行同步；事件集支持多事件的 “或觸發(fā)” 和“與觸發(fā)”，適合于線程等待多個(gè)事件的情況。

信號(hào)量、互斥量與事件集的概念將在后面的《線程間同步》章節(jié)詳細(xì)介紹。

線程間通信

RT-Thread 支持郵箱和消息隊(duì)列等通信機(jī)制。郵箱中一封郵件的長(zhǎng)度固定為 4 字節(jié)大??；消息隊(duì)列能夠接收不固定長(zhǎng)度的消息，并把消息緩存在自己的內(nèi)存空間中。郵箱效率較消息隊(duì)列更為高效。郵箱和消息隊(duì)列的發(fā)送動(dòng)作可安全用于中斷服務(wù)例程中。通信機(jī)制支持線程按優(yōu)先級(jí)等待或按先進(jìn)先出方式獲取。

郵箱和消息隊(duì)列的概念將在后面的《線程間通信》章節(jié)詳細(xì)介紹。

內(nèi)存管理

RT-Thread 支持靜態(tài)內(nèi)存池管理及動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理。當(dāng)靜態(tài)內(nèi)存池具有可用內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存塊分配的時(shí)間將是恒定的；當(dāng)靜態(tài)內(nèi)存池為空時(shí)，系統(tǒng)將申請(qǐng)內(nèi)存塊的線程掛起或阻塞掉 (即線程等待一段時(shí)間后仍未獲得內(nèi)存塊就放棄申請(qǐng)并返回，或者立刻返回。等待的時(shí)間取決于申請(qǐng)內(nèi)存塊時(shí)設(shè)置的等待時(shí)間參數(shù))，當(dāng)其他線程釋放內(nèi)存塊到內(nèi)存池時(shí)，如果有掛起的待分配內(nèi)存塊的線程存在的話，則系統(tǒng)會(huì)將這個(gè)線程喚醒。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理模塊在系統(tǒng)資源不同的情況下，分別提供了面向小內(nèi)存系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法及面向大內(nèi)存系統(tǒng)的SLAB 內(nèi)存管理算法。福利：在電子發(fā)燒友網(wǎng)公眾號(hào)回復(fù)資料，免費(fèi)領(lǐng)取一份模電資料集

還有一種動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理叫做 memheap，適用于系統(tǒng)含有多個(gè)地址可不連續(xù)的內(nèi)存堆。使用 memheap 可以將多個(gè)內(nèi)存堆 “粘貼” 在一起，讓用戶操作起來(lái)像是在操作一個(gè)內(nèi)存堆。

內(nèi)存管理的概念將在后面的《內(nèi)存管理》章節(jié)展開(kāi)講解。

I/O 設(shè)備管理

RT-Thread 將 PIN、I2C、SPI、USB、UART 等作為外設(shè)設(shè)備，統(tǒng)一通過(guò)設(shè)備注冊(cè)完成。實(shí)現(xiàn)了按名稱訪問(wèn)的設(shè)備管理子系統(tǒng)，可按照統(tǒng)一的 API 界面訪問(wèn)硬件設(shè)備。在設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口上，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)不同的設(shè)備可以掛接相應(yīng)的事件。當(dāng)設(shè)備事件觸發(fā)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)程序通知給上層的應(yīng)用程序。

I/O 設(shè)備管理的概念將在后面的《設(shè)備模型》及《通用設(shè)備》章節(jié)展開(kāi)講解。