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Zephyr RTOS -- Threads

發(fā)布時間：2024/1/18 编程问答 62 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Zephyr RTOS -- Threads 小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

文章目錄

- 前言
- Threads - (線程)
- - 1. Lifecycle - (生命周期)
  - - 1.1 Thread Creation - (線程創(chuàng)建)
    - 1.2 Thread Termination - (線程終止)
    - 1.3 Thread Aborting - (線程中止)
    - 1.4 Thread Suspension - (線程掛起/暫停)
  - 2. Thread States - (線程狀態(tài))
  - 3. Thread Stack objects - (線程堆棧對象)
  - - 3.1 Kernel-only Stacks - (僅內(nèi)核堆棧)
    - 3.2 Thread stacks - (線程堆棧)
  - 4. Thread Priorities - (線程優(yōu)先級)
  - 5. Thread Options - (線程選項)
  - 6. Thread Custom Data - (線程自定義數(shù)據(jù))
  - 7. Implementation - (實現(xiàn))
  - - 7.1 Spawning a Thread - (創(chuàng)建線程)
    - 7.2 Dropping Permissions - (降低權(quán)限)
    - 7.3 Terminating a Thread - (終止線程)
  - 8. Runtime Statistics - (運行時統(tǒng)計信息)
  - 9. Suggested Uses - (建議用途)
  - 10. Configuration Options - (配置選項)
  - 11. API Reference - (API 參考)
- 參考鏈接

本筆記基于 Zephyr 版本 2.6.0-rc2

前言

本人正在學(xué)習(xí) Zephyr，一個可移植性較強(qiáng)，可以兼容多種開發(fā)板及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的操作系統(tǒng)，如果你感興趣，可以點此查看我的學(xué)習(xí)筆記總述進(jìn)行了解！

Threads - (線程)

線程是內(nèi)核對象，用于太長或太復(fù)雜而無法由 ISR 執(zhí)行的應(yīng)用程序處理。

應(yīng)用程序可以定義任意數(shù)量的線程 (僅受可用 RAM 限制)，每個線程都由生成該線程時分配的線程 ID 引用。

線程具有以下的屬性：

A stack area(堆棧區(qū)域)，其是用于所述線程的堆棧的存儲器區(qū)域，可以調(diào)整堆棧區(qū)域的大小以符合線程處理的實際需求。存在特殊的宏來創(chuàng)建和使用堆棧存儲區(qū)。
A thread control block(線程控制塊)，用于線程的元數(shù)據(jù)的專用內(nèi)核簿記。這是類型 k_thread 的實例。
An entry point function(入口函數(shù))，在線程啟動時調(diào)用。最多可以將 3 個參數(shù)值傳遞給此函數(shù)。
A scheduling priority(調(diào)度優(yōu)先級)，指示內(nèi)核的調(diào)度如何分配CPU時間線程。參考 Scheduling。
A set of thread options(線程選項)，允許線程在特定情況下接受內(nèi)核的特殊處理。參考 Thread Options。
A start delay(啟動延遲)，它指定內(nèi)核在啟動線程之前應(yīng)等待的時間。
An execution mode(執(zhí)行模式)，可以是超級用戶模式(supervisor mode)或用戶模式(user mode)。默認(rèn)情況下，線程在超級用戶模式下運行，并允許訪問特權(quán) CPU 指令，整個內(nèi)存地址空間和外圍設(shè)備。用戶模式線程的特權(quán)減少了。這取決于 CONFIG_USERSPACE 選項。請參閱 User mode(用戶模式)。

1. Lifecycle - (生命周期)

1.1 Thread Creation - (線程創(chuàng)建)

線程在被使用之前必須先被創(chuàng)建，內(nèi)核初始化線程控制塊以及堆棧部分的一端。線程棧的其余部分通常未初始化。

可以指示內(nèi)核通過指定超時值來延遲線程的執(zhí)行，例如，允許線程使用的設(shè)備硬件變得可用。

指定啟動延遲 K_NO_WAIT 會指示內(nèi)核立即啟動線程執(zhí)行。

內(nèi)核允許在線程開始執(zhí)行之前取消延遲的啟動。但是如果線程已經(jīng)啟動，則取消請求無效。延遲啟動成功取消的線程，必須重新生成后才能使用。

1.2 Thread Termination - (線程終止)

線程一旦啟動，通常將永遠(yuǎn)執(zhí)行。但是，線程可以通過從其入口點函數(shù)返回來同步結(jié)束其執(zhí)行。這稱為終止。

終止線程負(fù)責(zé)在返回之前釋放其可能擁有的任何共享資源 (例如互斥體和動態(tài)分配的內(nèi)存)，因為內(nèi)核不會自動回收它們。

在某些情況下，一個線程可能要休眠，直到另一個線程終止。可以使用 k_thread_join() API 來完成。這將阻塞調(diào)用線程，直到超時到期，目標(biāo)線程自行退出或目標(biāo)線程異常中止（由于 k_thread_abort() 調(diào)用或觸發(fā)致命錯誤）。

線程終止后，內(nèi)核保證不會使用線程結(jié)構(gòu)(k_thread)。然后可以將這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)存重新用于任何目的，包括產(chǎn)生新線程。

請注意，線程必須完全終止，這會在競爭狀態(tài)下出現(xiàn)競爭情況，在該競爭情況下，一個線程自己的邏輯會發(fā)出信號完成信號，該信號在內(nèi)核處理完成之前會被另一個線程看到。在正常情況下，應(yīng)用程序代碼應(yīng)使用 k_thread_join() 或 k_thread_abort() 來同步線程終止?fàn)顟B(tài)，而不應(yīng)依賴于來自應(yīng)用程序邏輯內(nèi)部的信號。

原文：
Once a thread has terminated, the kernel guarantees that no use will be made of the thread struct. The memory of such a struct can then be re-used for any purpose, including spawning a new thread. Note that the thread must be fully terminated, which presents race conditions where a thread’s own logic signals completion which is seen by another thread before the kernel processing is complete. Under normal circumstances, application code should use k_thread_join() or k_thread_abort() to synchronize on thread termination state and not rely on signaling from within application logic.

1.3 Thread Aborting - (線程中止)

線程可以通過中止異步結(jié)束其執(zhí)行。如果線程觸發(fā)致命錯誤條件 (例如，取消引用空指針)，內(nèi)核會自動中止線程

線程也可以通過另一個線程 (或由其自身) 調(diào)用 k_thread_abort() 被中止。但是，通常最好是發(fā)信號通知線程適當(dāng)?shù)亟K止自身，而不是中止該線程。

和 線程終止 一樣，內(nèi)核不會回收異常中止線程所擁有的共享資源

1.4 Thread Suspension - (線程掛起/暫停)

如果線程被掛起，可以無限期地阻止其執(zhí)行。該函數(shù) k_thread_suspend() 可用于掛起任何線程，包括已經(jīng)調(diào)用的線程。一旦掛起，就無法調(diào)度線程，直到另一個線程調(diào)用 k_thread_resume() 以取消掛起。

掛起已被掛起的線程不會產(chǎn)生任何其他影響。

Note: 線程可以在指定的時間段內(nèi)阻止自己執(zhí)行，通過使用 k_sleep() 。但是，這與掛起線程不同，因為達(dá)到時間限制時，休眠線程會自動執(zhí)行。

2. Thread States - (線程狀態(tài))

沒有任何妨礙其執(zhí)行的因素的線程被視為準(zhǔn)備就緒態(tài) (ready)，并且有資格被選擇為當(dāng)前線程。

具有一個或多個阻止其執(zhí)行的因素的線程被視為未就緒態(tài) (unready)，并且不能被選擇為當(dāng)前線程。

以下的因素使一個線程處于 unready 狀態(tài)：

線程未被啟動
線程正在等待內(nèi)核對象完成操作 (例如：該線程正在使用不可用的信號量)
線程正在等待超時發(fā)生
線程已被掛起
線程被終止或中止

線程狀態(tài)切換圖：

3. Thread Stack objects - (線程堆棧對象)

每個線程都需要自己的堆棧緩沖區(qū)，CPU 才能推送內(nèi)容。根據(jù)配置，必須滿足幾個約束條件：

可能需要為內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)保留額外的內(nèi)存
如果啟用了基于保護(hù)的堆棧溢出檢測，則必須在堆棧緩沖區(qū)之前立即設(shè)置一個小的寫保護(hù)存儲器管理區(qū)域，以捕獲溢出。
如果啟用了用戶空間，則必須保留一個單獨的固定大小的特權(quán)提升堆棧，以用作處理系統(tǒng)調(diào)用的專用內(nèi)核堆棧。
如果啟用了用戶空間，則線程的堆棧緩沖區(qū)的大小必須適當(dāng)調(diào)整并對齊，以便可以對內(nèi)存保護(hù)區(qū)域進(jìn)行編程以使其完全適合。

對齊約束可能非常嚴(yán)格，例如，某些 MPU 要求其區(qū)域的大小為 2 的冪，并且要與其自身的大小對齊。

因此，可移植代碼無法簡單地將任意字符緩沖區(qū)傳遞給 k_thread_create()。存在特殊的宏以實例化堆棧，并以K_KERNEL_STACK 和前綴 K_THREAD_STACK。

3.1 Kernel-only Stacks - (僅內(nèi)核堆棧)

如果已知線程永遠(yuǎn)不會在用戶模式下運行，或者堆棧用于特殊內(nèi)容 (例如處理中斷)，則最好使用 K_KERNEL_STACK 宏定義堆棧。

這些堆棧可節(jié)省內(nèi)存，因為無需對MPU區(qū)域進(jìn)行編程即可覆蓋堆棧緩沖區(qū)本身，并且內(nèi)核無需為特權(quán)提升堆棧或僅與用戶模式線程相關(guān)的內(nèi)存管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保留額外的空間

如果 CONFIG_USERSPACE 未啟用，則 K_THREAD_STACK 宏的作用與 K_KERNEL_STACK 宏相同。

3.2 Thread stacks - (線程堆棧)

如果已知某個堆棧需要托管用戶線程，或者無法確定該線程，請使用 K_THREAD_STACK 宏定義該堆棧。這可能會使用更多的內(nèi)存，但是堆棧對象適合于承載用戶線程。

如果 CONFIG_USERSPACE 未啟用，則 K_THREAD_STACK 宏的作用與 K_KERNEL_STACK 宏相同。

4. Thread Priorities - (線程優(yōu)先級)

線程的優(yōu)先級是整數(shù)值，可以為負(fù)或非負(fù)。數(shù)字上較低的優(yōu)先級優(yōu)先于數(shù)字上較高的值。

例如，調(diào)度程序為優(yōu)先級為 4 的線程 A 高于優(yōu)先級為 7 的線程 B 的優(yōu)先級。
同樣，優(yōu)先級為 -2 的線程 C 的優(yōu)先級高于線程 A 和線程 B。

調(diào)度程序根據(jù)每個線程的優(yōu)先級來區(qū)分兩類線程：

一個協(xié)作線程的優(yōu)先級值為負(fù)。一旦成為當(dāng)前線程，協(xié)作線程將保留為當(dāng)前線程，直到它執(zhí)行操作使它變?yōu)槲淳途w態(tài) (unready)。
一個可搶占線程具有非負(fù)的優(yōu)先級值，一旦成為當(dāng)前線程，如果協(xié)作線程或具有更高或同等優(yōu)先級的可搶占線程準(zhǔn)備就緒，則可隨時替換可搶占線程。

啟動線程后，可以向上或向下更改線程的初始優(yōu)先級值。因此，通過更改優(yōu)先級，可搶占線程有可能變?yōu)閰f(xié)作線程，反之亦然。

內(nèi)核幾乎支持無限數(shù)量的線程優(yōu)先級。配置選項，CONFIG_NUM_COOP_PRIORITIES 和 CONFIG_NUM_PREEMPT_PRIORITIES 指定每種線程類的優(yōu)先級級別數(shù)，從而產(chǎn)生以下可用的優(yōu)先級范圍：

協(xié)作線程：(-CONFIG_NUM_COOP_PRIORITIES) to -1
搶占線程：0 to (CONFIG_NUM_PREEMPT_PRIORITIES - 1)

5. Thread Options - (線程選項)

內(nèi)核支持一小組線程選項，這些選項允許線程在特定情況下獲得特殊待遇。生成線程時，將指定與線程關(guān)聯(lián)的選項集。

不需要任何線程選項的線程的選項值為零。需要線程選項的線程通過名稱指定，如果需要多個選項，則使用 | 字符作為分隔符。(即使用按位或運算符組合選項)

支持的線程選項：

K_ESSENTIAL：此選項將線程標(biāo)記為必要線程(essential thread)，這指示內(nèi)核將線程的終止或中止視為致命的系統(tǒng)錯誤。默認(rèn)情況下，該線程不被視為必不可少的線程。
K_SSE_REGS：此特定于x86的選項表示線程使用CPU的SSE寄存器。另請參閱 K_FP_REGS。默認(rèn)情況下，內(nèi)核在調(diào)度線程時不嘗試保存和恢復(fù)該寄存器的內(nèi)容。
K_FP_REGS：此選項表明線程使用 CPU 的浮點寄存器(CPU’s floating point registers)。這指示內(nèi)核在調(diào)度線程時采取其他步驟來保存和恢復(fù)這些寄存器的內(nèi)容。(有關(guān)更多信息，請參見浮點服務(wù)(Floating Point Services)) 默認(rèn)情況下，內(nèi)核在調(diào)度線程時不嘗試保存和恢復(fù)該寄存器的內(nèi)容。
K_USER：如果CONFIG_USERSPACE 啟用，則該線程將在用戶模式下創(chuàng)建，并具有減少的特權(quán)。請參閱用戶模式(User Mode)。否則，此標(biāo)志不執(zhí)行任何操作。
K_INHERIT_PERMS：如果CONFIG_USERSPACE 啟用，則該線程將繼承父線程具有的所有內(nèi)核對象許可權(quán)，但父線程對象除外。請參閱用戶模式(User Mode)

6. Thread Custom Data - (線程自定義數(shù)據(jù))

每個線程都有一個 32 位的自定義數(shù)據(jù)區(qū)，只能由線程本身訪問，并且可以由應(yīng)用程序出于其選擇的任何目的使用。線程的默認(rèn)自定義數(shù)據(jù)值為零。

Note： 自定義數(shù)據(jù)支持不適用于 ISR，因為它們在單個共享的內(nèi)核中斷處理上下文中運行。

默認(rèn)情況下，線程自定義數(shù)據(jù)支持是禁用的。配置選項 CONFIG_THREAD_CUSTOM_DATA 可用于啟用支持。

k_thread_custom_data_set() 和 k_thread_custom_data_get() 函數(shù)分別用于寫入和讀出的線程的自定義數(shù)據(jù)。一個線程只能訪問自己的自定義數(shù)據(jù)，而不能訪問另一個線程的自定義數(shù)據(jù)。

以下代碼使用自定義數(shù)據(jù)功能來記錄每個線程調(diào)用特定例程的次數(shù)。
Note： 顯然，只有一個例程可以使用此技術(shù)，因為它壟斷了自定義數(shù)據(jù)功能的使用。

int call_tracking_routine(void) {uint32_t call_count;if (k_is_in_isr()) {/* ignore any call made by an ISR */} else {call_count = (uint32_t)k_thread_custom_data_get();call_count++;k_thread_custom_data_set((void *)call_count);}/* do rest of routine's processing */... }

使用線程自定義數(shù)據(jù)，通過將自定義數(shù)據(jù)用作指向線程擁有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，可以使例程訪問線程特定的信息。

7. Implementation - (實現(xiàn))

7.1 Spawning a Thread - (創(chuàng)建線程)

通過定義線程的堆棧區(qū)域和線程控制塊，然后調(diào)用 k_thread_create() 來生成線程。

必須使用 K_THREAD_STACK_DEFINE 或 K_KERNEL_STACK_DEFINE 定義堆棧區(qū)域，以確保在內(nèi)存中正確設(shè)置了堆棧區(qū)域。

堆棧的大小參數(shù)必須是以下三個值之一：

原始請求的堆棧大小傳遞給 K_THREAD_STACK 或 K_KERNEL_STACK 堆棧實例化宏系列。
對于使用 K_THREAD_STACK 宏系列定義的堆棧對象，該對象的返回值 K_THREAD_STACK_SIZEOF()。
對于使用 K_KERNEL_STACK 宏系列定義的堆棧對象，該對象的返回值 K_KERNEL_STACK_SIZEOF()。

線程產(chǎn)生函數(shù)返回其線程 ID，該 ID 可用于引用線程。

示例： 以下代碼產(chǎn)生一個立即啟動的線程

#define MY_STACK_SIZE 500 #define MY_PRIORITY 5extern void my_entry_point(void *, void *, void *);K_THREAD_STACK_DEFINE(my_stack_area, MY_STACK_SIZE); struct k_thread my_thread_data;k_tid_t my_tid = k_thread_create(&my_thread_data, my_stack_area,K_THREAD_STACK_SIZEOF(my_stack_area),my_entry_point,NULL, NULL, NULL,MY_PRIORITY, 0, K_NO_WAIT);

或者，可以在編譯時通過調(diào)用 K_THREAD_DEFINE 來聲明線程。該宏會自動定義堆棧區(qū)域，控制塊和線程 ID 變量。上面的代碼可改為下面這種方式：

#define MY_STACK_SIZE 500 #define MY_PRIORITY 5extern void my_entry_point(void *, void *, void *);K_THREAD_DEFINE(my_tid, MY_STACK_SIZE,my_entry_point, NULL, NULL, NULL,MY_PRIORITY, 0, 0);

Note： k_thread_create() 的延時參數(shù)是一個 k_timeout_t 值，因此 K_NO_WAIT 意味著立即啟動線程。K_THREAD_DEFINE 的對應(yīng)參數(shù)是持續(xù)時間（以整數(shù)毫秒為單位），因此等效參數(shù)為 0。
?

User Mode Constraints - (用戶模式限制)

本部分僅在 CONFIG_USERSPACE 啟用后才適用，并且一個用戶線程嘗試創(chuàng)建一個新線程。該 k_thread_create() API 仍在使用，但必須滿足其他約束條件，否則調(diào)用線程將被終止：

調(diào)用線程必須在子線程和堆棧參數(shù)上均具有授予的權(quán)限；兩者都由內(nèi)核作為內(nèi)核對象進(jìn)行跟蹤。
子線程和堆棧對象必須處于未初始化狀態(tài)，即當(dāng)前未運行，并且未使用堆棧內(nèi)存。
傳入的堆棧大小參數(shù)必須等于或小于聲明時的堆棧對象范圍。
K_USER 必須使用該選項，因為用戶線程只能創(chuàng)建其他用戶線程。
K_ESSENTIAL 該選項不得被使用，否則用戶線程可能不會被視為必要線程(essential threads)。
子線程的優(yōu)先級必須是有效的優(yōu)先級值，并且等于或小于父線程的優(yōu)先級。

7.2 Dropping Permissions - (降低權(quán)限)

如果啟用了 CONFIG_USERSPACE，則在超級用戶模式下運行的線程可以使用 k_thread_user_mode_enter() API 向用戶模式進(jìn)行單向轉(zhuǎn)換。它將重置線程的堆棧內(nèi)存并將其清零。該線程將被標(biāo)記為非必需(non-essential)。

7.3 Terminating a Thread - (終止線程)

線程通過從其入口點函數(shù)返回而終止自身。

以下代碼說明了線程可以終止的方式：

void my_entry_point(int unused1, int unused2, int unused3) {while (1) {...if (<some condition>) {return; /* thread terminates from mid-entry point function */}...}/* thread terminates at end of entry point function */ }

如果啟用了 CONFIG_USERSPACE，則中止線程將另外將該線程和堆棧對象標(biāo)記為未初始化，以便可以重新使用它們。

8. Runtime Statistics - (運行時統(tǒng)計信息)

如果 CONFIG_THREAD_RUNTIME_STATS 啟用，則可以收集和檢索線程運行時統(tǒng)計信息，例如，線程的執(zhí)行周期總數(shù)。

默認(rèn)情況下，使用默認(rèn)內(nèi)核計時器來收集運行時統(tǒng)計信息。對于某些體系結(jié)構(gòu)，SoC 或開發(fā)板，有些計時器可以通過計時功能提供更高的分辨率。這些計時器的使用可以通過啟用 CONFIG_THREAD_RUNTIME_STATS_USE_TIMING_FUNCTIONS。

例如：

k_thread_runtime_stats_t rt_stats_thread;k_thread_runtime_stats_get(k_current_get(), &rt_stats_thread);printk("Cycles: %llu\n", rt_stats_thread.execution_cycles);

9. Suggested Uses - (建議用途)

使用線程來處理 ISR 無法處理的進(jìn)程。

使用單獨的線程來處理可以并行執(zhí)行的邏輯上不同的處理操作。

10. Configuration Options - (配置選項)

相關(guān)配置選項：

CONFIG_MAIN_THREAD_PRIORITY
CONFIG_MAIN_STACK_SIZE
CONFIG_IDLE_STACK_SIZE
CONFIG_THREAD_CUSTOM_DATA
CONFIG_NUM_COOP_PRIORITIES
CONFIG_NUM_PREEMPT_PRIORITIES
CONFIG_TIMESLICING
CONFIG_TIMESLICE_SIZE
CONFIG_TIMESLICE_PRIORITY
CONFIG_USERSPACE

11. API Reference - (API 參考)

關(guān)于線程的一些 API 函數(shù)及宏

參考鏈接

https://docs.zephyrproject.org/latest/reference/kernel/threads/index.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Zephyr RTOS -- Threads的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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