RT-Thread 中的多线程
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RT-Thread 线程管理和调度
系统线程
空闲线程
主线程
线程管理
RT-Thread 自动初始化机制
在新线程控制LED
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RT-Thread 线程管理和调度
RT-Thread 线程管理的主要功能是对线程进行管理和调度,系统中总共存在两类线程,分别是系统线程和用户线程,系统线程是由 RT-Thread 内核创建的线程,用户线程是由应用程序创建的线程,这两类线程都会从内核对象容器中分配线程对象,当线程被删除时,也会被从对象容器中删除,如下方图所示,每个线程都有重要的属性,如线程控制块、线程栈、入口函数等。
RT-Thread的线程调度器是抢占式的,主要的工作就是从就绪线程列表中查找最高优先级线程,保证最高优先级的线程能够被运行,最高优先级的任务一旦就绪,总能得到CPU的使用权。
当调度器调度线程切换时,先将当前线程上下文保存起来,当再切回到这个线程时,线程调度器将该线程的上下文信息恢复。
线程通过调用函数rt_thread_create/init()进入到初始状态(RT_THREAD_INIT);初始状态的线程通过调用函数 rt_thread_startup() 进入到就绪状态(RT_THREAD_READY);就绪状态的线程被调度器调度后进入运行状态(RT_THREAD_RUNNING);当处于运行状态的线程调用 rt_thread_delay(),rt_sem_take(),rt_mutex_take(),rt_mb_recv() 等函数或者获取不到资源时,将进入到挂起状态(RT_THREAD_SUSPEND);处于挂起状态的线程,如果等待超时依然未能获得资源或由于其他线程释放了资源,那么它将返回到就绪状态。挂起状态的线程,如果调用rt_thread_delete/detach() 函数,将更改为关闭状态(RT_THREAD_CLOSE);而运行状态的线程,如果运行结束,就会在线程的最后部分执行 rt_thread_exit() 函数,将状态更改为关闭状态。
系统线程
系统线程是指由系统创建的线程,用户线程是由用户程序调用线程管理接口创建的线程,在 RT-Thread 内核中的系统线程有空闲线程和主线程。
msh >list_thread thread pri status sp stack size max used left tick error -------- --- ------- ---------- ---------- ------ ---------- --- tshell 20 running 0x00000084 0x00001000 12% 0x00000004 000 tidle0 31 ready 0x00000044 0x00000100 34% 0x0000000a 000
空闲线程
空闲线程是系统创建的最低优先级的线程,线程状态永远为就绪态。当系统中无其他就绪线程存在时,调度器将调度到空闲线程,它通常是一个死循环,且永远不能被挂起。另外,空闲线程在 RT-Thread 也有着它的特殊用途:
若某线程运行完毕,系统将自动删除线程:自动执行 rt_thread_exit() 函数,先将该线程从系统就绪队列中删除,再将该线程的状态更改为关闭状态,不再参与系统调度,然后挂入 rt_thread_defunct僵尸队列(资源未回收、处于关闭状态的线程队列)中,最后空闲线程会回收被删除线程的资源。
空闲线程也提供了接口来运行用户设置的钩子函数,在空闲线程运行时会调用该钩子函数,适合钩入功耗管理、看门狗喂狗等工作。
主线程
在系统启动时,系统会创建 main 线程,它的入口函数为 main_thread_entry(),用户的应用入口函数 main()就是从这里真正开始的,系统调度器启动后,main 线程就开始运行,过程如下图,用户可以在 main() 函数里添加自己的应用程序初始化代码。
int $Sub$$main(void) { rtthread_startup(); return 0; }
系统启动后先从汇编代码 startup_stm32l475xx.s 开始运行,然后跳转到 C 代码执行该代码 $Sub$$main.在 rthtread_starup() 中执行了一些启动初始化工作:
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。
在 rt_application_init 函数创建了主线程。
/* the system main thread */ void main_thread_entry(void *parameter) { extern int main(void); extern int $Super$$main(void); #ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT /* RT-Thread components initialization */ rt_components_init(); #endif #ifdef RT_USING_SMP rt_hw_secondary_cpu_up(); #endif /* invoke system main function */ #if defined(__CC_ARM) || defined(__CLANG_ARM) $Super$$main(); /* for ARMCC. */ #elif defined(__ICCARM__) || defined(__GNUC__) main(); #endif } void rt_application_init(void) { rt_thread_t tid; #ifdef RT_USING_HEAP tid = rt_thread_create("main", main_thread_entry, RT_NULL, RT_MAIN_THREAD_STACK_SIZE, RT_MAIN_THREAD_PRIORITY, 20); RT_ASSERT(tid != RT_NULL); #else rt_err_t result; tid = &main_thread; result = rt_thread_init(tid, "main", main_thread_entry, RT_NULL, main_stack, sizeof(main_stack), RT_MAIN_THREAD_PRIORITY, 20); RT_ASSERT(result == RT_EOK); /* if not define RT_USING_HEAP, using to eliminate the warning */ (void)result; #endif rt_thread_startup(tid); }
线程管理
下图描述了线程的相关操作(具体函数的使用方法请查阅对应API文档):
RT-Thread 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。
在系统启动流程图中,有两个函数:rt_components_board_init() 与 rt_components_init(),其后的带底色方框内部的函数表示被自动初始化的函数,其中:
1、“board init functions” 为所有通过 INIT_BOARD_EXPORT(fn) 申明的初始化函数。
2、“pre-initialization functions” 为所有通过 INIT_PREV_EXPORT(fn)申明的初始化函数。
3、“device init functions” 为所有通过 INIT_DEVICE_EXPORT(fn) 申明的初始化函数。
4、“components init functions” 为所有通过 INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)申明的初始化函数。
5、“enviroment init functions” 为所有通过 INIT_ENV_EXPORT(fn) 申明的初始化函数。
6、“application init functions” 为所有通过 INIT_APP_EXPORT(fn)申明的初始化函数。
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
初始化函数主动通过这些宏接口进行申明,如 INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init),链接器会自动收集所有被申明的初始化函数,放到 RTI 符号段中,该符号段位于内存分布的 RO 段中,该 RTI 符号段中的所有函数在系统初始化时会被自动调用。
例如:
int rt_hw_usart_init(void) /* 串口初始化函数 */ { ... ... /* 注册串口 1 设备 */ rt_hw_serial_register(&serial1, "uart1", RT_DEVICE_FLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX, uart); return 0; } INIT_BOARD_EXPORT(rt_hw_usart_init); /* 使用组件自动初始化机制 */
在新线程控制LED
前面我们在潘多拉STM32L4上实现了一个按键控制 LED 和蜂鸣器的例子, 现在我们让该功能独立存在于一个文件中并自动启动独立线程执行。
在 stm32l475-atk-pandora\applications\ 目录创建文件 key_control_led.c 文件,然后修改 SConscript 配置文件:
From building import * cwd = GetCurrentDir() src = Split(''' main.c key_control_led.c ''') CPPPATH = [str(Dir('#')), cwd] group = DefineGroup('Applications', src, depend = [''], CPPPATH = CPPPATH) Return('group')
接下来打开 Evn 生成新的 MDK5 工程 scons --target=mdk5:
> scons --target=mdk5 scons: Reading SConscript files ... scons: done reading SConscript files. scons: Building targets ...
实现的代码如下:
#include #include #include #define THREAD_STACK_SIZE 200 //线程栈大小(字节) #define THREAD_TIMESLICE 40 //占用的滴答时钟数 #define NULL_LED -1 #define BEEP_TIME 3 #define LED_PIN_RED GET_PIN(E, 7) //红灯管脚 #define LED_PIN_GREEN GET_PIN(E, 8) //绿灯管脚 #define LED_PIN_BLUE GET_PIN(E, 9) //蓝灯管脚 #define KEY_OPEN_RED GET_PIN(D, 10) //点亮红灯按钮 #define KEY_OPEN_GREEN GET_PIN(D, 9) //点亮绿灯按钮 #define KEY_OPEN_BLUE GET_PIN(D, 8) //点亮蓝灯按钮 #define BEEP_PIN GET_PIN(B, 2) //蜂鸣器控制管脚 static rt_thread_t key_led_thread = RT_NULL; static rt_uint8_t thread_priority = 20; //根据下标点亮LED void change_lighting_led(int lightIndex) { rt_base_t rgbs[] = {LED_PIN_RED, LED_PIN_GREEN, LED_PIN_BLUE}; for(int i = 0; i < 3; i++) { if(i == lightIndex) { rt_pin_write(rgbs[i], PIN_LOW); } else { rt_pin_write(rgbs[i], PIN_HIGH); } } } //读取按键 void read_key_lighting_led() { int beep_time_count = 0; rt_base_t keys[] = {KEY_OPEN_RED, KEY_OPEN_GREEN, KEY_OPEN_BLUE}; rt_pin_write(BEEP_PIN, PIN_LOW); change_lighting_led(NULL_LED); //熄灭所有LED while (1) { for(int i = 0; i < 3; i++) { if(rt_pin_read(keys[i]) == PIN_LOW) { rt_thread_mdelay(50); //去抖动 if(rt_pin_read(keys[i]) == PIN_LOW) { change_lighting_led(i); //切换点亮的LED beep_time_count = 0; if(beep_time_count < BEEP_TIME) { rt_pin_write(BEEP_PIN, PIN_HIGH); } else { rt_pin_write(BEEP_PIN, PIN_LOW); } } } } beep_time_count++; if(beep_time_count >= BEEP_TIME) { rt_pin_write(BEEP_PIN, PIN_LOW); } rt_thread_mdelay(50); } } //线程函数 void key_control_led_entry(void *param) { //设置管脚的模式 rt_pin_mode(LED_PIN_RED, PIN_MODE_OUTPUT); rt_pin_mode(LED_PIN_GREEN, PIN_MODE_OUTPUT); rt_pin_mode(LED_PIN_BLUE, PIN_MODE_OUTPUT); rt_pin_mode(KEY_OPEN_RED, PIN_MODE_INPUT); rt_pin_mode(KEY_OPEN_GREEN, PIN_MODE_INPUT); rt_pin_mode(KEY_OPEN_BLUE, PIN_MODE_INPUT); rt_pin_mode(BEEP_PIN, PIN_MODE_OUTPUT); read_key_lighting_led(); } //创建键盘控制LED线程 int create_key_control_led_thread(void) { key_led_thread = rt_thread_create("led_test", key_control_led_entry, RT_NULL, THREAD_STACK_SIZE, thread_priority, THREAD_TIMESLICE); if(key_led_thread != RT_NULL) { rt_thread_startup(key_led_thread); } return 0; } INIT_APP_EXPORT(create_key_control_led_thread);
此时的 main 函数是空的,如下:
#include <rtthread.h> #include <rtdevice.h> #include <board.h> int main(void) { return RT_EOK; }
此例中我们使用的是 rt_thread_create 函数进行动态创建,另外还有一个函数
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)
这里需要注意的是线程优先级字段是一个 rt_uint8_t 的类型,所以不可用宏定义去定义优先级。
还有一个参数在使用上可能比较疑惑,那就是 stack_size 参数,设置多大合适呢?一般情况下我们先设置一个值,然后在 FinSH 控制台中使用 list_thread 命令查看使用情况:
可以看到 led_test 线程的优先级是 20 状态是 suspend(挂起)状态,栈的起始地址是 0x00000090 栈大小是 0x000000c8 使用率是 72% 线程剩余的运行节拍数是 0x28.
我们设置的这个栈大小就比较合适,一般情况下使用率在 70% 附近比较理想,当然可以根据情况调整,不要浪费资源。