RT-Thread系统内核简介

内核基础

RT-Thread 内核架构图

从上图可以看到，RT-Thread实时内核的实现包括：对象管理、线程管理及调度器、线程间通信管理、时钟管理及内存管理等等，内核最小的资源占用情况是 3KB ROM，1.2KB RAM

启动流程分析

一般执行顺序是：系统先从启动文件开始运行，然后进入 RT-Thread 的启动 rtthread_startup() ，最后进入用户入口 main()，如下图所示：

rtthread_startup() 函数的代码如下所示：

// components.c
int rtthread_startup(void)
{
    rt_hw_interrupt_disable();
​
    /* 板级初始化：需在该函数内部进行系统堆的初始化 */
    rt_hw_board_init();
​
    /* 打印 RT-Thread 版本信息 */
    rt_show_version();
​
    /* 定时器初始化 */
    rt_system_timer_init();
​
    /* 调度器初始化 */
    rt_system_scheduler_init();
​
#ifdef RT_USING_SIGNALS
    /* 信号初始化 */
    rt_system_signal_init();
#endif
​
    /* 由此创建一个用户 main 线程 */
    rt_application_init();
​
    /* 定时器线程初始化 */
    rt_system_timer_thread_init();
​
    /* 空闲线程初始化 */
    rt_thread_idle_init();
​
    /* 启动调度器 */
    rt_system_scheduler_start();
​
    /* 不会执行至此 */
    return 0;
}

这部分启动代码，大致可以分为四个部分：

（1）初始化与系统相关的硬件；

（2）初始化系统内核对象，例如定时器、调度器、信号；

（3）创建 main 线程，在 main 线程中对各类模块依次进行初始化；

（4）初始化定时器线程、空闲线程，并启动调度器。

自动初始化机制

自动初始化机制是指初始化函数不需要被显式调用，只需要在函数定义处通过宏定义的方式进行申明，就会在系统启动过程中被执行。

用来实现自动初始化功能的宏接口定义详细描述如下表所示：

初始化顺序	宏接口	描述
1	INIT_BOARD_EXPORT(fn)	非常早期的初始化，此时调度器还未启动
2	INIT_PREV_EXPORT(fn)	主要是用于纯软件的初始化、没有太多依赖的函数
3	INIT_DEVICE_EXPORT(fn)	外设驱动初始化相关，比如网卡设备
4	INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)	组件初始化，比如文件系统或者 LWIP
5	INIT_ENV_EXPORT(fn)	系统环境初始化，比如挂载文件系统
6	INIT_APP_EXPORT(fn)	应用初始化，比如 GUI 应用

 

线程管理

系统中总共存在两类线程，分别是系统线程和用户线程。

线程管理是通过结构体struct rt_thread ，包含了优先级、线程名称、线程状态等信息

线程具有独立的线程栈，当进行线程切换时，会将当前线程的上下文存在栈中，当线程要恢复运行时，再从栈中读取上下文信息，进行恢复。

线程状态分：初始，就绪，运行，挂起，关闭

系统线程：空闲线程和主线程

涉及到的主要函数如下

// thread.c
rt_thread_t rt_thread_create(const char *name,
                             void (*entry)(void *parameter),
                             void       *parameter,
                             rt_uint32_t stack_size,
                             rt_uint8_t  priority,
                             rt_uint32_t tick);
rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread *thread,
                        const char       *name,
                        void (*entry)(void *parameter),
                        void             *parameter,
                        void             *stack_start,
                        rt_uint32_t       stack_size,
                        rt_uint8_t        priority,
                        rt_uint32_t       tick);
rt_err_t rt_thread_delete(rt_thread_t thread);
rt_err_t rt_thread_startup(rt_thread_t thread);
rt_err_t rt_thread_detach(rt_thread_t thread);
​
rt_thread_t rt_thread_self(void);
​
/**
 * This function will let current thread yield processor, and scheduler will
 * choose a highest thread to run. After yield processor, the current thread
 * is still in READY state.
 *
 * @return RT_EOK
 */
rt_err_t rt_thread_yield(void);
​
rt_err_t rt_thread_sleep(rt_tick_t tick);
rt_err_t rt_thread_delay(rt_tick_t tick);
rt_err_t rt_thread_mdelay(rt_int32_t ms);
​
rt_err_t rt_thread_control(rt_thread_t thread, int cmd, void *arg);
rt_err_t rt_thread_suspend(rt_thread_t thread);
rt_err_t rt_thread_resume(rt_thread_t thread);
​

 

时钟管理

时钟节拍和定时器

线程的延时、线程的时间片轮转调度以及定时器超时等离不开时钟节拍，是系统运行的心跳

定时器分HARD_TIMER 模式与 SOFT_TIMER 模式，机制分单次触发和周期触发两种

定时器链表 rt_timer_list。系统新创建并激活的定时器都会按照以超时时间排序（Skip List算法）的方式插入到 rt_timer_list 链表中。

设计到主要函数

void rt_timer_init(rt_timer_t  timer,
                   const char *name,
                   void (*timeout)(void *parameter),
                   void       *parameter,
                   rt_tick_t   time,
                   rt_uint8_t  flag);
rt_err_t rt_timer_detach(rt_timer_t timer);
rt_timer_t rt_timer_create(const char *name,
                           void (*timeout)(void *parameter),
                           void       *parameter,
                           rt_tick_t   time,
                           rt_uint8_t  flag);
rt_err_t rt_timer_delete(rt_timer_t timer);
​
rt_err_t rt_timer_start(rt_timer_t timer);
rt_err_t rt_timer_stop(rt_timer_t timer);
rt_err_t rt_timer_control(rt_timer_t timer, int cmd, void *arg);
​

 

线程同步

信号量，互斥量和事件集三种方式

信号量：二值，多值，优先级反转，生产者和消费者问题

互斥量：优先级继承算法解决优先级反转的问题，其他和二值信号量类似

事件集：一对多，多对多的同步

 

涉及到函数实现

 

线程通信

邮箱，消息队列，信号

邮箱：开销比较低，效率较高。每封邮件容纳固定四字节内容，一般用于传递数据指针

消息队列：邮箱的扩展，用于线程间的消息交换、使用串口接收不定长数据等。先进先出。

信号：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

 

涉及到的函数实现

 

内存管理

总体上可分为两类：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，一般小于2MB）；

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）

涉及到的函数实现

rt_err_t rt_memheap_init(struct rt_memheap *memheap,
                         const char        *name,
                         void              *start_addr,
                         rt_size_t         size);
rt_err_t rt_memheap_detach(struct rt_memheap *heap);

内存池，采用链表串联的结构，提高效率和减少碎片。

涉及到的函数实现

 

总结：

RT-Thread内核相关的一些机制和Free RTOS，uCos都有相似之处，也加入了一些特有的机制，比如内核的一些算法，启动流程+自动初始化机制，内存优化算法等，为用户提供了更便捷的服务，让用户更放心的专注应用的开发，简化了流程。