內核服務

?????? SylixOS內核小巧，它提供的操作系統最基礎的服務，這些服務包括：

?????? 1.????????線程管理

?????? 2.????????協程管理

?????? 3.????????事件標志組管理

???????4.????????中斷管理

???????5.????????調度器

???????6.????????內存管理

???????7.????????消息隊列

???????8.????????計數、互斥、二值信號量

???????9.????????定時器管理

???????10.????資源回收器

???????這些最基礎的功能構成了SylixOS所有功能與服務的核心。SylixOS本身是一個實時操作系統，所以內核調度器（scheduler）使用基于優先級的搶占式調度算法，調度器調度的基本單元為線程。SylixOS永遠運行優先級最高的線程。

??????? SylixOS調度器支持緊耦合同構多處理（SMP）并且調度器調度時間復雜度為O（1），換句話說，調度器每次調度消耗的時間與需要調度的線程總數量沒有關系，即調度時間確定，這種系統適合于對時間有嚴格要求的工業與軍事系統。此調度器同樣支持同優先級線程，這些線程可按先進先出或者時間片輪轉調度算法。

??????? SylixOS線程（thread）有以下六種狀態：

??????? 1.????????初始化

??????? 2.????????就緒

??????? 3.????????運行

??????? 4.????????阻塞

??????? 5.????????僵死

??????? 6.????????停止

?????? 線程各狀態遷移順序由下圖所示：

????? 【初始化】狀態表示一個線程剛剛創建，操作系統為它分配了運行所必須的資源但是沒有將它送入調度器。此時用戶可以獲取線程句柄，選擇合適的時間啟動線程。很多操作系統的線程沒有這種狀態。SylixOS加入這種狀態主要是為了適應“靜態系統”的要求，所謂靜態系統就是運行線程確定，所需資源確定，行為確定的系統，例如汽車電子控制單元（ECU）系統。這類系統對響應和可靠性要求非常高，所以SylixOS可以提前分配好線程所有需要的資源，為它的運行做好一切準備，這樣就不會因為資源短缺造成嚴重后果。

????? 【就緒】狀態表示一個線程可以被執行，即線程得到了除CPU以外運行所需要的所有資源，例如線程等待的信號量已經有效，這時線程請求調度器調度，至于調度器合適將CPU資源提供個這個線程以使其運行，則依賴于上面所說的調度器算法。

????? 【運行】狀態表示一個線程正在執行，即就緒后，系統調度器為這個線程分配了CPU資源使其得以運行。

????? 【阻塞】狀態表示線程現在不能繼續執行，必須需要等待指定的事件發生，例如線程正在等待信號量有效，或者消息隊列中的信息，或者一個信號，一個同步I/O請求等等。這個狀態下線程得不到執行，除非等待的事件到達或者設置的超時時間到達，如果這兩種情況發生，則線程進入就緒隊列。等待調度器再次執行，同時將等待的結果告知用戶代碼。

????? 【僵死】線程結束時需要回收操作系統在創建它時分配的資源，有些資源是它自身運行時無法回收的，例如內核對象，堆棧等，這時線程通知操作系統相關的回收器，并把自己設置為僵死狀態等待回收器徹底銷毀自己。

????? 【停止】狀態表示線程被其他線程或者系統強行暫停執行，此狀態只有SMP系統會出現，當一個核正在運行的線程（或進程）向另一個核上的線程發送信號時，這時發送信號的目標線程正在另一個核上運行，則內核會自動將目標設置為停止狀態，然后等信號發送完畢后再將這個任務恢復執行。

?????? SylixOS系統上線程實體的狀態永遠是以上六種狀態之一。

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??????協程（coroutine），又稱作協同程序是比線程還小的可執行代碼序，在windows操作系統上稱為纖程。一個線程內可以擁有多個協程，這些協程共享線程除了棧之外的所有資源，例如優先級，內核對象等等。由于線程內的所有協程共享線程本身的內核對象，所以調度器本身并不知道協程的存在，協程的運行是靠所屬線程被調度時被執行的。一個線程內的協程共享所屬線程的優先級，一個線程內部的協程不可被強占。只能輪轉運行。而且當前正在運行協程必須主動放棄CPU另同線程內的另一個協程才能得以運行，當線程被刪除時，線程內的所有協程也同時被全部刪除。

?????? SylixOS在內核中引入協程概念，而不是使用庫模擬出的協程，這樣SylixOS內部的協程管理更加便捷高效。

??????事件標志組（eventset）是SylixOS提供的一個線程同步通信機制。每一個事件標志組包含有32位事件標志，在應用中每一位可以代表一個事件，線程可以等待事件標志組中的一個事件或者同時等待多個事件。線程等待多個事件時既可以等待多個事件同時發生，也可以等待多個事件中任何一個事件的發生。指定的事件發生后，等待相應事件的線程將會從阻塞狀態被轉換成就緒狀態。這時只要調度器調度該線程，它就可以執行。

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?????? SylixOS中斷系統結構如下圖所示，它本身可以支持無限數量的中斷（interrupt）源，具體的中斷向量表（interrupt vector）大小由編譯時的配置決定。

?????? SylixOS和大多數操作系統一樣使用平板中斷向量表，如果系統硬件中存在有主從級聯中斷，則需要在板級支持包（BSP）中進行相關的抽象。當系統發生中斷時，BSP代碼按操作系統要求處理好相關中斷上下文（context）后，調用操作系統統一的中斷入口API。操作系統根據中斷向量號來決定運行哪些之前已經注冊的中斷服務。驅動程序不需要操作中斷的具體行為，只需要注冊相關的中斷向量即可。

?????? SylixOS同時支持單向量多中斷服務函數表，所以像PCI總線這樣的多級中斷系統，使用此類中斷向量管理，用戶驅動程序將變的非常簡單。

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?????? SylixOS調度器只管理一種資源：CPU。調度器決定當前時刻將CPU分配給哪個線程，即運行哪個線程。每一個CPU核心只能同時運行一個線程，如果沒有任何就緒的用戶線程，則調度器讓CPU運行永遠就緒的空閑（idle）線程。

??????如上所述，對于單核CPU系統，一般的多任務操作系統在宏觀上是多任務并行處理，但在微觀上，同時只有一個線程運行。調度器根據調度算法和當前就緒線程的相關參數來判斷誰將運行。對于緊耦合多CPU系統（SMP，例如酷睿，龍芯多核），他們可以同時運行與內核數量相當的線程，例如雙核處理器可以同時運行兩個線程，如果這兩個線程沒有資源沖突，則理論運行速度將達到單核兩倍（真正的并行處理系統），但是沒有資源沖突的線程是理想狀態，所以真實運行的N核系統是不可能達到單核系統N倍的效率。對于多核系統，SylixOS調度器將決定這些核同時運行哪些線程。對于硬實時的SylixOS來說，調度器將CPU分配給就緒線程中優先級最高的幾個線程，這個調度算法時間復雜度也為O（1）。

??????? SylixOS提供三種形式的內存管理：堆內存管理（heap），定長分區內存管理（pool），虛擬內存管理（vmm）。這三種內存管理有著不同的用途。

?????? 堆內存管理類似于我們常用的malloc、free操作，操作系統有兩個非常關鍵的內存堆：“內核內存堆”和“系統內存堆”。內核堆負責系統內核對象的緩沖。系統堆負責內核基礎緩沖區，驅動程序緩沖區等。

?????? 虛擬內存管理只用于有硬件內存管理單元（MMU）的處理器。它管理了整個虛擬內存空間和物理頁面的分配，回收，映射，權限。是操作系統內存管理的核心。例如后面將要提到的進程，文件映射，缺頁中斷系統等等，都需要虛擬內存管理的支持。同時它也接管了所有內存的異常訪問處理（映射錯誤或者權限錯誤）。

??????? SylixOS物理內存采用頁式內存管理算法。物理頁面使用伙伴算法，虛擬空間采用哈希紅黑二叉樹保證分配與回收的速度。

?????? 消息隊列是SylixOS提供的多任務同步通信方式之一，它將一個消息從一個任務傳遞到另一個任務，這樣一個線程可以將產生的數據或者事件發送出去，由指定的任務繼續處理。這也是操作系統多任務最常用的同步通信方式。

?????? 信號量也是SylixOS提供的多任務同步通信方式之一，SylixOS的信號量分為三種：計數信號量、二值信號量、互斥信號量。信號量既可以用作任務間的通信，也可以用于中斷與任務的通信。SylixOS有關信號量對線程狀態的影響如下圖所示。

?????? 計數信號量內部是一個32/64位計數器，當計數值為0時等待的線程將被阻塞，如果不為0則計數器減一線程繼續運行。發送信號量時，如果此時有線程阻塞在對應的信號量上，則阻塞的任務將被激活，如果沒有則計數器加一。

?????? 二值信號量顧名思義，它只有兩種狀態：有效和無效。線程等待此信號量時如果信號量有效，則信號量立即變為無效狀態，同時當前線程不阻塞并繼續執行。如果信號量是無效狀態，則線程被阻塞。發送信號量時，如果此時有線程阻塞在對應的信號量上，則阻塞的線程將被激活，如果沒有等待此信號量的線程，則將信號量置為有效狀態。

???????互斥信號量（簡稱互斥量）是SylixOS為保護共享資源設計的一種鎖機制（大多數操作系統擁有此功能），互斥信號量的基本行為類似于二值信號量，但是功能更加強大。但它并不能取代二值信號量，因為釋放互斥信號量的線程必須是之前獲取該信號量的線程，所以互斥量不能被用作線程同步通信。SylixOS的互斥量提供兩種方法避免優先級倒置（又名優先級反轉），一種是優先級繼承算法，一種是優先級天花板算法，創建互斥量時通過選項來選擇需要使用的算法。同時互斥量支持資源死鎖檢測，死鎖可重入功能，同樣也是根據創建選項確定。

??????? SylixOS提供兩種類型的定時器：高速內核定時器，任務級定時器。高速內核定時器顧名思義，它的定時周期可以非常短，頻率可以高過操作系統的時鐘。但需要注意的是，高速定時器的用戶回調函數可能運行在中斷上下文中（由BSP代碼決定），所以只能進行簡單的操作，一般用于發送信號量激活等待線程，或者通知什么事情發生。

?????? 任務級定時器速度較慢，他提供普通精度的定時要求。定時器服務函數運行在操作系統t_timer內核線程中。

?????? 需要注意的是：SylixOS內核提供的定時器只用于內核模塊或者內核應用，進程需要使用與信號系統相關的posix定時器。

????????SylixOS的回收器主要是記錄一個進程的資源使用情況，在進程退出時將釋放進程的所有資源，它們包括內核對象，文件描述符，進程空間，依賴的動態鏈接庫等等。進程相關的內容將在下面進程一節詳細講解。

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（本篇結束）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的SylixOS 经得起检验的国产操作系统 （四）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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