【硬核科普】漫談Huawei LiteOS五大內(nèi)核模塊
01
LiteOS內(nèi)核的任務(wù)管理
基本概念和功能任務(wù)是競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)資源的最小運(yùn)行單元。任務(wù)可以使用或等待CPU、使用內(nèi)存空間等系統(tǒng)資源，并獨(dú)立于其它任務(wù)運(yùn)行。
Huawei LiteOS是一個(gè)支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)，一個(gè)任務(wù)就表示一個(gè)線程，任務(wù)之間可以進(jìn)行切換和通信。LiteOS的任務(wù)管理模塊提供任務(wù)創(chuàng)建、刪除、延時(shí)、掛起和恢復(fù)、更改任務(wù)優(yōu)先級(jí)、鎖定任務(wù)調(diào)度和解鎖任務(wù)調(diào)度、根據(jù)任務(wù)控制塊查詢?nèi)蝿?wù) ID、根據(jù) ID 查詢?nèi)蝿?wù)控制塊信息等功能。
因?yàn)長(zhǎng)iteOS內(nèi)核是搶占式調(diào)度內(nèi)核，所以高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以打斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞或結(jié)束后才能得到調(diào)度，同優(yōu)先級(jí)任務(wù)會(huì)進(jìn)行時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。優(yōu)先級(jí)表示任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先順序，決定了在發(fā)生任務(wù)切換時(shí)即將要執(zhí)行的任務(wù)。LiteOS中的任務(wù)一共有32個(gè)優(yōu)先級(jí) (0-31)，最高優(yōu)先級(jí)為 0，最低優(yōu)先級(jí)為31。
任務(wù)控制TCB每一個(gè)任務(wù)都含有一個(gè)任務(wù)控制塊（TCB）。TCB 包含了任務(wù)上下文棧指針（stack pointer）、任務(wù)狀態(tài)（包括就緒、運(yùn)行、阻塞、退出4種狀態(tài)）、任務(wù)棧大?。ㄈ蝿?wù)棧里保存著局部變量、寄存器、函數(shù)參數(shù)、函數(shù)返回地址等）、任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)ID、任務(wù)名等信息。TCB相當(dāng)于每個(gè)任務(wù)在內(nèi)核中的身份證，可以反映出每個(gè)任務(wù)運(yùn)行情況。
運(yùn)作機(jī)制在任務(wù)模塊初始化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先申請(qǐng)TCB需要的內(nèi)存空間。如果任務(wù)初始化成功，則系統(tǒng)對(duì)TCB內(nèi)容進(jìn)行初始化。用戶創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將任務(wù)棧進(jìn)行初始化，預(yù)置上下文。此外，系統(tǒng)還會(huì)將“任務(wù)入口函數(shù)”地址放在相應(yīng)位置。這樣在任務(wù)第一次啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)時(shí)，將會(huì)執(zhí)行“任務(wù)入口函數(shù)”。
02
LiteOS內(nèi)核的內(nèi)存管理
主要功能Huawei LiteOS的內(nèi)存管理模塊管理系統(tǒng)的內(nèi)存資源，主要包括內(nèi)存的初始化、分配及釋放，是操作系統(tǒng)的核心模塊之一。
在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)存管理模塊通過(guò)對(duì)內(nèi)存的申請(qǐng)/釋放操作，來(lái)管理用戶和OS對(duì)內(nèi)存的使用，使內(nèi)存的利用率和使用效率達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)最大限度地解決系統(tǒng)的內(nèi)存碎片問(wèn)題。Huawei LiteOS的內(nèi)存管理分為動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理和靜態(tài)內(nèi)存管理。
動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理在動(dòng)態(tài)內(nèi)存池中分配用戶指定大小的內(nèi)存塊。
o 優(yōu)點(diǎn)：按需分配。
o 缺點(diǎn)：內(nèi)存池中可能出現(xiàn)碎片。
靜態(tài)內(nèi)存管理在靜態(tài)內(nèi)存池中分配用戶初始化時(shí)預(yù)設(shè)（固定）大小的內(nèi)存塊，初始化后塊大小不可變更。
o 優(yōu)點(diǎn)：分配和釋放效率高，靜態(tài)內(nèi)存池中無(wú)碎片。
o 缺點(diǎn)：只能申請(qǐng)到初始化預(yù)設(shè)大小的內(nèi)存塊，不能按需申請(qǐng)。
03
LiteOS內(nèi)核的中斷管理
中斷的介紹中斷是指出現(xiàn)需要時(shí)，CPU暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行新程序的過(guò)程。即在程序運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了一個(gè)必須由CPU立即處理的事務(wù)。此時(shí)，CPU暫時(shí)中止當(dāng)前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而處理這個(gè)事務(wù)，這個(gè)過(guò)程就叫做中斷。
為什么需要中斷眾多周知，CPU的處理速度比外設(shè)的運(yùn)行速度快很多，外設(shè)可以在沒(méi)有CPU介入的情況下完成一定的工作，但某些情況下需要CPU為其做一定的工作。通過(guò)中斷機(jī)制，在外設(shè)不需要CPU介入時(shí)，CPU可以執(zhí)行其它任務(wù)，而當(dāng)外設(shè)需要CPU時(shí)通過(guò)產(chǎn)生中斷信號(hào)使CPU立即中斷當(dāng)前任務(wù)來(lái)響應(yīng)中斷請(qǐng)求。用戶通過(guò)中斷申請(qǐng)，注冊(cè)中斷處理程序，可以指定CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求時(shí)所執(zhí)行的具體操作。這樣可以使CPU避免把大量時(shí)間耗費(fèi)在等待、查詢外設(shè)狀態(tài)的操作上，因此將大大提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性以及執(zhí)行效率。
相關(guān)的硬件與中斷相關(guān)的硬件可以劃分為三類：設(shè)備、中斷控制器、CPU本身。
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設(shè)備：發(fā)起中斷的源，當(dāng)設(shè)備需要請(qǐng)求CPU時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，該信號(hào)連接至中斷控制器。
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中斷控制器：中斷控制器是 CPU 眾多外設(shè)中的一個(gè)，它一方面接收其它外設(shè)中斷引腳的輸入，另一方面，它會(huì)發(fā)出中斷信號(hào)給CPU?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)中斷控制器編程實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷源的優(yōu)先級(jí)、觸發(fā)方式、打開和關(guān)閉源等設(shè)置操作。常用的中斷控制器有VIC（Vector Interrupt Controller）和GIC（General Interrupt Controller），在 ARM Cortex-M 系列中使用的中斷控制器是NVIC（Nested Vector Interrupt Controller）。
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CPU：CPU會(huì)響應(yīng)中斷源的請(qǐng)求，中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。
主要功能Huawei LiteOS支持：
· 中斷初始化
· 中斷創(chuàng)建
· 開/關(guān)中斷
· 恢復(fù)中斷
· 中斷使能
· 中斷屏蔽
04
LiteOS內(nèi)核的信號(hào)量
基本概念和功能信號(hào)量（Semaphore）是一種實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的機(jī)制，可以用于任務(wù)之間同步或臨界資源的互斥訪問(wèn)。
信號(hào)量可以被任務(wù)獲取或者申請(qǐng)，不同的信號(hào)量通過(guò)信號(hào)量索引號(hào)來(lái)唯一確定，每個(gè)信號(hào)量都有一個(gè)計(jì)數(shù)值和任務(wù)隊(duì)列。通常信號(hào)量的計(jì)數(shù)值表示有效的資源數(shù)，即剩下的可被占用的互斥資源數(shù)。當(dāng)任務(wù)申請(qǐng)(Pend)信號(hào)量時(shí)，如果申請(qǐng)成功，則信號(hào)量的計(jì)數(shù)值遞減，如申請(qǐng)失敗，則掛起在該信號(hào)量的等待任務(wù)隊(duì)列上，一旦有任務(wù)釋放該信號(hào)量，則等待任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)被喚醒開始執(zhí)行。信號(hào)量運(yùn)作示意圖↓
使用場(chǎng)景信號(hào)量是一種非常靈活的同步方式，可以運(yùn)用在多種場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)鎖、同步、資源計(jì)數(shù)等功能，也能方便的用于任務(wù)與任務(wù)，中斷與任務(wù)的同步中。
· 任務(wù)間互斥
用作互斥時(shí)，信號(hào)量創(chuàng)建后記數(shù)是滿的，在需要使用臨界資源時(shí)，先申請(qǐng)信號(hào)量，使其變空，這樣其他任務(wù)需要使用臨界資源時(shí)就會(huì)因?yàn)闊o(wú)法申請(qǐng)到信號(hào)量而阻塞，從而保證了臨界資源的安全。
· 任務(wù)間同步
用作同步時(shí)，信號(hào)量在創(chuàng)建后被置為空，任務(wù)1申請(qǐng)信號(hào)量而阻塞，任務(wù)2在某種條件發(fā)生后，釋放信號(hào)量，于是任務(wù)1得以進(jìn)入READY或RUNNING態(tài)，從而達(dá)到了兩個(gè)任務(wù)間的同步。
· 資源計(jì)數(shù)
用作資源計(jì)數(shù)時(shí)，信號(hào)量的作用是一個(gè)特殊的計(jì)數(shù)器，可以遞增或者遞減，但是值永遠(yuǎn)不能為負(fù)值，典型的應(yīng)用場(chǎng)景是生產(chǎn)者與消費(fèi)者的場(chǎng)景。
· 中斷與任務(wù)的同步
用作中斷與任務(wù)的同步時(shí)，可以在中斷未觸發(fā)時(shí)將信號(hào)量的值置為0，從而堵塞中斷服務(wù)處理任務(wù)，一旦中斷被觸發(fā)，則喚醒堵塞的中斷服務(wù)處理任務(wù)進(jìn)行中斷處理。
05
LiteOS內(nèi)核的互斥鎖
基本概念和功能互斥鎖(mutex)又稱互斥型信號(hào)量，是一種特殊的二值信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的獨(dú)占式處理?；コ怄i主要使用在多任務(wù)環(huán)境下，此時(shí)往往存在多個(gè)任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)同一共享資源的應(yīng)用場(chǎng)景。另外，Huawei LiteOS通過(guò)優(yōu)先級(jí)繼承算法，解決了信號(hào)量存在的優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。
運(yùn)作機(jī)制任意時(shí)刻互斥鎖只有兩種狀態(tài)：開鎖或閉鎖。當(dāng)有任務(wù)持有時(shí)，互斥鎖處于閉鎖狀態(tài)，這個(gè)任務(wù)獲得該互斥鎖的所有權(quán)。當(dāng)該任務(wù)釋放它時(shí)，該互斥鎖被開鎖，任務(wù)失去該互斥鎖的所有權(quán)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)持有互斥鎖時(shí)，其他任務(wù)將不能再對(duì)該互斥鎖進(jìn)行開鎖或持有，所以其他任務(wù)此時(shí)訪問(wèn)這個(gè)公共資源將會(huì)被阻塞，直到互斥鎖被持有該鎖的任務(wù)釋放后，其他任務(wù)才能重新訪問(wèn)該公共資源。
互斥鎖運(yùn)作示意圖↓
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