梅科尔工作室-原哲-小熊派学习笔记(内核开发)

发布于 2022-7-27 18:03
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一、任务管理

1.任务管理简介

  • 从系统的角度看,任务是竞争系统资源的最小运行单元。任务可以使用或等待CPU、使用内存空间等系统资源,并独立于其它任务运行。
  • LiteOS的任务模块可以给用户提供多个任务,实现了任务之间的切换和通信,帮助用户管理业务程序流程。这样用户可以将更多的精力投入到业务功能的实现中。
  • LiteOS中的任务是抢占式调度机制,高优先级的任务可打断低优先级任务,低优先级任务必须在高优先级任务阻塞或结束后才能得到调度,同时支持时间片轮转调度方式。
  • LiteOS的任务默认有32个优先级(0-31),最高优先级为0,最低优先级为31。

2.任务相关概念

任务状态通常分为以下四种:
就绪: 该任务在就绪列表中,只等待CPU。
运行: 该任务正在执行。
阻塞: 该任务不在就绪列表中。包括人物被挂起、任务被延时、任务正在等待信号量、读写队列或者等待读写事件等。
退出态: 该任务运行结束,等待系统回收资源。

3.实现任务管理

cmsis_os2的API任务接口简介:
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创建任务: osThreadNew(osThreadFunc_t func,void * argument,const osThreadAttr_t * attr)
删除某个任务: osThreadTerminate(osThreadId_t thread_id)
任务挂起: osThreadSuspend(osThreadId_t thread_id)
任务恢复: osThreadResume (osThreadId_t thread_id)

4.实现任务的创建

创建任务接口详解:
osThreadNew(osThreadFunc_t func, void * argument, const osThreadAttr_t * attr)
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二、定时器管理

1.软件定时器基本概念

软件定时器,是基于系统Tick时钟中断且由软件来模拟的定时器,当经过设定的Tick时钟计数值后
会触发用户定义的回调函数。定时精度与系统Tick时钟的周期有关。
硬件定时器受硬件的限制,数量上不足以满足用户的实际需求,因此为了满足用户需求,提供更
多的定时器,LiteOS操作系统提供软件定时器功能。
软件定时器扩展了定时器的数量,允许创建更多的定时业务。
软件定时器功能支持:

  • 静态裁剪:能通过宏关闭软件定时器功能
  • 软件定时器创建
  • 软件定时器启动
  • 软件定时器停止
  • 软件定时器删除
  • 软件定时器剩余Tick数获取

2.软件定时器运作机制

  • 软件定时器使用了系统的一个队列和一个任务资源,软件定时器的触发遵循队列规则,先进先出。
    定时时间短的定时器总是比定时时间长的靠近队列头,满足优先被触发的准则。
  • 软件定时器以Tick为基本计时单位,当用户创建并启动一个软件定时器时,Huawei LiteOS会根据当前系统Tick时间及用户设置的定时间隔确定该定时器的到期Tick时间,并将该定时器控制结构挂入计时全局链表。
  • 当Tick中断到来时,在Tick中断处理函数中扫描软件定时器的计时全局链表,看是否有定时器超时,若有则将超时的定时器记录下来。
  • Tick中断处理函数结束后,软件定时器任务(优先级为最高)被唤醒,在该任务中调用之前记录下来的定时器的超时回调函数。

3.实现软件定时器创建

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创建定时器: osTimerNew (osTimerFunc_t func, osTimerType_t type, void *argument, const osTimerAttr_t *attr)
启动定时器: osTimerStart (osTimerId_t timer_id, uint32_t ticks)
停止定时器: osTimerStop (osTimerId_t timer_id)
删除定时器: osTimerDelete (osTimerId_t timer_id)

三、信号量

1.信号量的概念

(1)信号量(Semaphore)是一种实现任务间通信的机制,实现任务之间同步或临界资源的互斥访问。常用于协助一组相互竞争的任务来访问临界资源。
(2)在多任务系统中,各任务之间需要同步或互斥实现临界资源的保护,信号量功能可以为用户提供这方面的支持。
(3)通常一个信号量的计数值用于对应有效的资源数,表示剩下的可被占用的互斥资源数。其值的含义分两种情况:

  • 0,表示没有积累下来的Post信号量操作,且有可能有在此信号量上阻塞的任务。
  • 正值,表示有一个或多个Post信号量操作。
    (4)以同步为目的的信号量和以互斥为目的的信号量在使用有如下不同:
  • 用作互斥时,信号量创建后记数是满的,在需要使用临界资源时,先取信号量,使其变空,这样其他任务需要使用临界资源时就会因为无法取到信号量而阻塞,从而保证了临界资源的安全。
  • 用作同步时,信号量在创建后被置为空,任务1取信号量而阻塞,任务2在某种条件发生后,释放信号量,于是任务1得以进入READY或RUNNING态,从而达到了两个任务间的同步。

2.信号量运作机制

(1)信号量初始化:为配置的N个信号量申请内存(N值可以由用户自行配置,受内存限制),并把所有的信号量初始化成未使用,并加入到未使用链表中供系统使用。
(2)信号量创建:从未使用的信号量链表中获取一个信号量资源,并设定初值。
(3)信号量申请:若其计数器值大于0,则直接减1返回成功。否则任务阻塞,等待其它任务释放该信号量,等待的超时时间可设定。当任务被一个信号量阻塞时,将该任务挂到信号量等待任务队列的队尾。
(4)信号量释放:若没有任务等待该信号量,则直接将计数器加1返回。否则唤醒该信号量等待任务队列上的第一个任务。
(5)信号量删除:将正在使用的信号量置为未使用信号量,并挂回到未使用链表。

四、事件管理

1.事件基本概念

事件是一种实现任务间通信的机制,可用于实现任务间的同步,但事件通信只能是事件类型的通信,无数据传输。一个任务可以等待多个事件的发生:可以是任意一个事件发生时唤醒任务进行事件处理;也可以是几个事件都发生后才唤醒任务进行事件处理。事件集合用32位无符号整型变量来表示,每一位代表一个事件。

2.事件运作机制

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3.实现事件功能

cmsis_os2的API事件接口简介:
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创建事件标记对象: osEventFlagsNew (const osEventFlagsAttr_t *attr);
设置事件标记: osEventFlagsSet (osEventFlagsId_t ef_id, uint32_t flags);
等待事件标记触发: osEventFlagsWait (osEventFlagsId_t ef_id, uint32_t flags, uint32_t options, uint32_t timeout);
删除事件标记对象: osEventFlagsDelete (osEventFlagsId_t ef_id);

五、互斥锁

1.互斥锁基本概念

  • 互斥锁又称互斥型信号量,是一种特殊的二值性信号量,用于实现对共享资源的独占式处理。
  • 任意时刻互斥锁的状态只有两种:开锁或闭锁。
  • 当有任务持有时,互斥锁处于闭锁状态,这个任务获得该互斥锁的所有权。
  • 当该任务释放时,该互斥锁被开锁,任务失去该互斥锁的所有权。
  • 当一个任务持有互斥锁时,其他任务将不能再对该互斥锁进行开锁或持有。
  • 多任务环境下往往存在多个任务竞争同一共享资源的应用场景,互斥锁可被用于对共享资源的保护从而实现独占式访问。另外,互斥锁可以解决信号量存在的优先级翻转问题。

2.互斥锁运作机制

多任务环境下会存在多个任务访问同一公共资源的场景,而有些公共资源是非共享的,需要任务进行独占式处理。互斥锁怎样来避免这种冲突呢?
用互斥锁处理非共享资源的同步访问时,如果有任务访问该资源,则互斥锁为加锁状态。此时其他任务如果想访问这
个公共资源则会被阻塞,直到互斥锁被持有该锁的任务释放后,其他任务才能重新访问该公共资源,此时互斥锁再次上锁,如此确保同一时刻只有一个任务正在访问这个公共资源,保证了公共资源操作的完整性。
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3.实现互斥锁功能

cmsis_os2的API互斥锁接口简介:
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创建互斥锁: osMutexNew (const osMutexAttr_t *attr);
获取互斥锁: osMutexAcquire (osMutexId_t mutex_id, uint32_t timeout);
释放互斥锁: osMutexRelease (osMutexId_t mutex_id);
删除互斥锁: osMutexDelete (osMutexId_t mutex_id);

六、消息队列

1.消息队列的概念:

消息队列,是一种常用于任务间通信的数据结构,实现了接收来自任务或中断的不固定长度的消息,并根据不同的接口选择传递消息是否存放在自己空间。任务能够从队列里面读取消息,当队列中的消息是空时,挂起读取任务;当队列中有新消息时,挂起的读取任务被唤醒并处理新消息。

2.消息队列运作机制

  • 创建队列时,根据用户传入队列长度和消息节点大小来开辟相应的内存空间以供该队列使用,返回队列ID。
  • 在队列控制块中维护一个消息头节点位置Head和一个消息尾节点位置Tail来表示当前队列中消息存储情况。Head表示队列中被占用消息的起始位置。Tail表示队列中被空闲消息的起始位置。刚创
    建时Head和Tail均指向队列起始位置。
  • 写队列时,根据Tail找到被占用消息节点末尾的空闲节点作为数据写入对象。
  • 读队列时,根据Head找到最先写入队列中的消息节点进行读取。
  • 删除队列时,根据传入的队列ID寻找到对应的队列,把队列状态置为未使用,释放原队列所占的空间,对应的队列控制头置为初始状态。

3.实现消息队列功能

cmsis_os2的API消息队列接口简介:
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创建消息队列: osMutexNew (const osMutexAttr_t *attr);
发送消息: osMutexAcquire (osMutexId_t mutex_id, uint32_t timeout);
获取消息: osMutexRelease (osMutexId_t mutex_id);
删除消息队列: osMutexDelete (osMutexId_t mutex_id);

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