1、內(nèi)核簡介

內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，是操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是最重要的部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的線程、線程間通信、系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷以及內(nèi)存等。其架構(gòu)圖如下：

2、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)度算法的基于優(yōu)先級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外是不可搶占的，其他都可以搶占，包括線程調(diào)度器自身。線程調(diào)度算法支持256個(gè)線程優(yōu)先級，0優(yōu)先級代表最高優(yōu)先級，最低優(yōu)先級留給空閑線程使用；對于相同優(yōu)先級的線程，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；調(diào)度器在尋找那些處于就緒態(tài)的具有最高優(yōu)先級的線程時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間是恒定的，系統(tǒng)不限制線程數(shù)量的多少，線程數(shù)目只和硬件平臺的具體內(nèi)存相關(guān)，這個(gè)具體的內(nèi)存要去掉實(shí)際程序中已經(jīng)用掉的內(nèi)存，實(shí)際的代碼會用掉一部分內(nèi)存，因此不能只看硬件的參數(shù)，還需要考慮代碼對內(nèi)存的占用情況。

3、 時(shí)鐘管理

RT-Thread的時(shí)鐘管理是以時(shí)鐘節(jié)拍為基礎(chǔ)的，時(shí)鐘節(jié)拍的RT-Thread中最小的時(shí)鐘單位。RT-Thread提供兩種定時(shí)器的機(jī)制：一是單次觸發(fā)定時(shí)器，此定時(shí)器在啟動之后只會觸發(fā)一次定時(shí)器事件，然后定時(shí)器自動停止；二是周期觸發(fā)定時(shí)器，這類定時(shí)器會周期性的觸發(fā)定時(shí)器事件，直到用戶手動的停止定時(shí)器，否則將永遠(yuǎn)持續(xù)執(zhí)行下去。
根據(jù)超時(shí)函數(shù)執(zhí)行時(shí)的上下文，RT-Thread的定時(shí)器可以設(shè)置為HARD_TIMER模式和SOFT_TIMER模式。

4、線程間同步

RT-Thread采用信號量、互斥量與事件實(shí)現(xiàn)線程間同步。線程通過對信號量、互斥量的獲取與釋放進(jìn)行同步；互斥量采用優(yōu)先級繼承的方式解決了實(shí)時(shí)系統(tǒng)常見的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。線程同步機(jī)制支持線程按優(yōu)先級等待方式獲取信號量或互斥量。線程通過對事件的發(fā)送與接受進(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。

5、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度固定為 4 字節(jié)大小；消息隊(duì)列能夠接收不固定長度的消息，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)先級等待方式獲取。

6、內(nèi)存管理

RT-Thread支持靜態(tài)內(nèi)存池管理和動態(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)對內(nèi)存塊分配的時(shí)間是恒定的；當(dāng)靜態(tài)內(nèi)存池為空時(shí)，系統(tǒng)將申請內(nèi)存塊的線程掛起或者阻塞掉（線程等待一段時(shí)間后仍未獲得內(nèi)存塊就放棄申請并返回，或者立刻返回。等待的時(shí)間取決去申請內(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)，如有掛起的待分配的線程存在的話，則系統(tǒng)會將這個(gè)線程喚醒。
動態(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)存管理算法及面向大內(nèi)存系統(tǒng)的SLAB內(nèi)存管理算法。
另一種動態(tài)內(nèi)存堆管理叫做memheap，適用于系統(tǒng)含有多個(gè)地址且不連續(xù)的內(nèi)存堆。使用memheap可以將多個(gè)內(nèi)存堆“粘貼”在一起，讓用戶操作起來像是在操作一個(gè)內(nèi)存堆。

7、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)一通過設(shè)備注冊完成。實(shí)現(xiàn)了按名稱訪問的設(shè)備管理子系統(tǒng)，可按照統(tǒng)一的 API 界面訪問硬件設(shè)備。在設(shè)備驅(qū)動接口上，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，對不同的設(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)動程序通知給上層的應(yīng)用程序。

8、RT-Thread啟動流程

RT-Thread 支持多種平臺和多種編譯器，而 rtthread_startup() 函數(shù)是 RT-Thread 規(guī)定的統(tǒng)一啟動入口。一般執(zhí)行順序是：系統(tǒng)先從啟動文件開始運(yùn)行，然后進(jìn)入 RT-Thread 的啟動函數(shù) rtthread_startup() ，最后進(jìn)入用戶入口函數(shù) main()，如下圖所示：

rtthread_startup() 函數(shù)，其中 rtthread_startup() 函數(shù)的代碼如下所示：

int rtthread_startup(void)
{
    rt_hw_interrupt_disable();

    /* 板級初始化：需在該函數(shù)內(nèi)部進(jìn)行系統(tǒng)堆的初始化 */
    rt_hw_board_init();

    /* 打印 RT-Thread 版本信息 */
    rt_show_version();

    /* 定時(shí)器初始化 */
    rt_system_timer_init();

    /* 調(diào)度器初始化 */
    rt_system_scheduler_init();

#ifdef RT_USING_SIGNALS
    /* 信號初始化 */
    rt_system_signal_init();
#endif

    /* 由此創(chuàng)建一個(gè)用戶 main 線程 */
    rt_application_init();

    /* 定時(shí)器線程初始化 */
    rt_system_timer_thread_init();

    /* 空閑線程初始化 */
    rt_thread_idle_init();

    /* 啟動調(diào)度器 */
    rt_system_scheduler_start();

    /* 不會執(zhí)行至此 */
    return 0;
}

這部分啟動代碼，大致可以分為四個(gè)部分：
（1）初始化與系統(tǒng)相關(guān)的硬件；
（2）初始化系統(tǒng)內(nèi)核對象，例如定時(shí)器、調(diào)度器、信號；
（3）創(chuàng)建 main 線程，在 main 線程中對各類模塊依次進(jìn)行初始化；
（4）初始化定時(shí)器線程、空閑線程，并啟動調(diào)度器。
啟動調(diào)度器之前，系統(tǒng)所創(chuàng)建的線程在執(zhí)行 rt_thread_startup() 后并不會立馬運(yùn)行，它們會處于就緒狀態(tài)等待系統(tǒng)調(diào)度；待啟動調(diào)度器之后，系統(tǒng)才轉(zhuǎn)入第一個(gè)線程開始運(yùn)行，根據(jù)調(diào)度規(guī)則，選擇的是就緒隊(duì)列中優(yōu)先級最高的線程。
rt_hw_board_init() 中完成系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置，為系統(tǒng)提供心跳、串口初始化，將系統(tǒng)輸入輸出終端綁定到這個(gè)串口，后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行信息就會從串口打印出來。

9、RT-Thread程序內(nèi)存分布

一般MCU包含的存儲空間有：片內(nèi)Flash與片內(nèi)RAM，RAM相當(dāng)于內(nèi)存，F(xiàn)lash相當(dāng)于硬盤。編譯器會將程序分為幾個(gè)部分，分別存儲在MCU不同的位置。
Keil 工程在編譯完之后，會有相應(yīng)的程序所占用的空間提示信息，如下所示：

linking...
Program Size: Code=54872 RO-data=8656 RW-data=764 ZI-data=21812  
After Build - User command #1: fromelf --bin .\build\rtthread-stm32.axf --output rtthread.bin
".\build\rtthread-stm32.axf" - 0 Error(s), 0 Warning(s).
Build Time Elapsed:  00:00:14

上面提到的 Program Size 包含以下幾個(gè)部分：
1）Code：代碼段，存放程序的代碼部分；
2）RO-data：只讀數(shù)據(jù)段，存放程序中定義的常量；
3）RW-data：讀寫數(shù)據(jù)段，存放初始化為非 0 值的全局變量；
4）ZI-data：0 數(shù)據(jù)段，存放未初始化的全局變量及初始化為 0 的變量；
編譯完工程會生成一個(gè).map 的文件，該文件說明了各個(gè)函數(shù)占用的尺寸和地址，在文件的最后幾行也說明了上面幾個(gè)字段的關(guān)系：

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    Total RO  Size (Code + RO Data)                63528 (  62.04kB)
    Total RW  Size (RW Data + ZI Data)             22576 (  22.05kB)
    Total ROM Size (Code + RO Data + RW Data)      63676 (  62.18kB)

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1）RO Size 包含了 Code 及 RO-data，表示程序占用 Flash 空間的大小；
2）RW Size 包含了 RW-data 及 ZI-data，表示運(yùn)行時(shí)占用的 RAM 的大??；
3）ROM Size 包含了 Code、RO-data 以及 RW-data，表示燒寫程序所占用的 Flash 空間的大??；
程序運(yùn)行之前，需要有文件實(shí)體被燒錄到 STM32 的 Flash 中，一般是 bin 或者 hex 文件，該被燒錄文件稱為可執(zhí)行映像文件。如下圖左邊部分所示，是可執(zhí)行映像文件燒錄到 STM32 后的內(nèi)存分布，它包含 RO 段和 RW 段兩個(gè)部分：其中 RO 段中保存了 Code、RO-data 的數(shù)據(jù)，RW 段保存了 RW-data 的數(shù)據(jù)，由于 ZI-data 都是 0，所以未包含在映像文件中。
STM32 在上電啟動之后默認(rèn)從 Flash 啟動，啟動之后會將 RW 段中的 RW-data（初始化的全局變量）搬運(yùn)到 RAM 中，但不會搬運(yùn) RO 段，即 CPU 的執(zhí)行代碼從 Flash 中讀取，另外根據(jù)編譯器給出的 ZI 地址和大小分配出 ZI 段，并將這塊 RAM 區(qū)域清零。

其中動態(tài)內(nèi)存堆為未使用的 RAM 空間，應(yīng)用程序申請和釋放的內(nèi)存塊都來自該空間。而一些全局變量則是存放于 RW 段和 ZI 段中，RW 段存放的是具有初始值的全局變量（而常量形式的全局變量則放置在 RO 段中，是只讀屬性的），ZI 段存放的系統(tǒng)未初始化的全局變量。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-727341.html

到了這里，關(guān)于RT-Thread內(nèi)核——內(nèi)核基礎(chǔ)（上）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！