OpenHarmony智能开发套件[内核编程·上]

前言

本篇具体介绍OpenHarmony在智能开发套件Hi3861上的内核编程学习。

编程入门[Hello,OpenHarmony]

在正式开始之前，对于刚接触OpenHarmony的伙伴们，面对大篇幅的源码可能无从下手，不知道怎么去编码写程序，下面用一个简单的例子带伙伴们入门。

任务

编写程序，让开发板在串口调试工具中输出”Hello，OpenHarmony“。

操作

在源码的根目录中有名为”applications“的文件，他存放着应用程序样例，下面是他的目录结构：

我们要编写的程序样例就在源码根目录下的：applications/sample/wifi-iot/app/

下面将具体演示如何编写程序样例。

1. 新建样例目录

   applications/sample/wifi-iot/app/hello_demo

2. 新建源文件和gn文件

   applications/sample/wifi-iot/app/hello_demo/hello.c

   applications/sample/wifi-iot/app/hello_demo/BUILD.gn

3. 编写源文件

​ hello.c

#include <stdio.h>
#include "ohos_init.h"

void hello(void){
    printf("Hello,OpenHarmony!");
}

SYS_RUN(hello);

​ 第一次操作的伙伴们可能会在引入”ohos_init.h“库时报错，面对这个问题我们只需要修改我们的include path即可，一般我们直接在目录下的 .vscode/c_cpp_properties.json文件中直接修改includePath

​ 笔者的代码版本是OpenHarmony3.2Release版，不同版本的源码可能库所存放的路径不同，那么怎么去找到对应的库呢，对于不熟悉源码结构的伙伴们学习起来很不友好。

​ 对于在纯Windows环境开发的伙伴们，笔者推荐使用everything这款工具，它可以快速查找主机中的文件，比在资源管理器的搜索快上不少。

everything官网

​ everything似乎不能找到我WSL中的Ubuntu中的文件，因此对于Windows + Linux环境下的伙伴们，这款工具又不那么适用。那就可以根据Linux的查询指令来定位文件所在目录，下面提供查询案例防止有不熟悉Linux的伙伴们。我们使用locate指令来查找文件。

​ 首先安装locate

sudo apt install mlocate

​ 更新mlocate.db

sudo updatedb

​ 查询文件目录

locate ohos_init.h

​ 找到我们源码根目录下 include路径下的ohos_init.h文件

4. 编写gn文件

static_library("sayHello"){
    sources = [
        "hello.c"
    ]
    include_dirs = [
        "//commonlibrary/utils_lite/include"
    ]
}

​ static_library表示我们编写的静态模块，名为"sayHello", sources表示我们要编译的源码，include_dirs表示我们引入的库，这里的双斜杠就代表我们的源码根目录，”/commonlibrary/utils_lite/include“就是我们ohos_init.h的所在目录

5. 编写app下的gn文件

在app的目录下也有一个gn文件，我们只需要去修改他即可

​ 这表示我们的程序将会执行hello_demo样例中的sayHello模块

6. 编译，烧录，串口调试

这一步就属于基础操作了，不做过多赘述，不会的伙伴们可以看我之前发布的[环境搭建篇]，里面也详细介绍了操作流程。

环境搭建篇

7. 观察控制台的输出

​ 至此编码完成了编码入门，下面就具体介绍OpenHarmony的内核编程。

内核

内核介绍

​ 什么是内核？或者说内核在一个操作系统中起到一个什么样的作用？相信初次接触这个词的伙伴们也会有同样的疑问。不过不用担心，笔者会尽可能地通俗地介绍内核的相关知识，以便大家能够更好地去体会内核编程。

​ 我们先来看一张图，这是OpenHarmony官网发布的技术架构图

​ 我们可以看到最底层叫做内核层，有Linux，LiteOS等。内核在整个架构，或者操作系统中起到一个核心作用，他负责管理计算机系统内的资源和硬件设备，提供给顶层的应用层一个统一规范的接口，从而使得整个系统能够完成应用与硬件的交互。

​ 具体点来说，内核可以做以下相关的工作：

1. 进程管理
2. 内存管理
3. 文件资源管理
4. 网络通信管理
5. 设备驱动管理

​ 当然不局限于这些，这里只是给出具体的例子供伙伴们理解，如果实在难以理解，那么笔者再举一个例子，进程。可能你没听过进程，但你一定打开过任务管理器。

​ 这些都是进程，一个进程又由多个线程组成。那么CPU，内存，硬盘，网络这些硬件层面资源是怎么合理分配到我们软件的各个进程中呢？这就是内核帮助我们完成的事情，我们并不关心我们设备上的应用在哪里执行，如何分配资源，内核会完成这些事情。我们日常与软件交互，而内核会帮助我们完成软件和硬件的交互。

OpenHarmony内核

​ 明白了什么是内核后，我们来看看OpenHarmony的内核是怎么样设计的吧。

​ OpenHarmony采用的是多内核设计 有基于Linux内核的标准系统，有基于LiteOS-A的小型系统，也有基于LiteOS-M的轻量系统。他们分别适配不同的设备，比如说智能手表就是轻量级别的，智能汽车就是标准级别的等等。本篇并不介绍标准系统和小型系统，轻量系统更加适合初学者。

LiteOS-M内核

​ 下面是一张LiteOS-M的架构图

​ 下面重点介绍KAL抽象层 和 基础内核的操作

KAL抽象层

​ 相信大家还是会有疑惑，什么是KAL抽象层？

​ Kernel Abstraction Layer

​ 在刚刚的内核中我们提到了，内核主要完成的是软件与硬件的交互，他会给应用层提供统一的规范接口，而KAL抽象层正是内核对应用层提供的接口集合。应用程序可以通过KAL抽象层完成对硬件的控制交互。

​ 抽象层是因为他隐藏了与硬件接口具体的交互逻辑，开发人员只需要关心如何操作硬件，而无需关心硬件底层的细节，大大提高了可移植性和维护性。

​ 以笔者的角度去看，KAL简单来说就是一堆接口，帮助你去操控硬件。CMSIS与POSIX就是具有统一规范的一些接口。通过他们我们就可以去控制一些基础的内核，线程，软件定时器，互斥锁，信号量等等。概念就先简单介绍这么多，感兴趣的伙伴们可以上官网查看更多的关于OpenHarmony内核的信息。下面笔者会带着大家编码操作，从实际去体会内核编程。

内核编程

线程管理

​ 在管理线程前，我们需要了解线程，线程是调度的基本单位，具有独立的栈空间和寄存器上下文，相比与进程，他是轻量的。举一个实际的例子，动物园卖票。

​ 对于动物园卖票这件事本身而言是一个进程，而每一个买票的人可以看作一个线程，在多个售票口处，我们并发执行，并行计算，共同消费动物园的门票，像享受共同的内存资源空间一样。为什么要线程管理呢？你我都希望买到票，但是票有限，我们都不希望看到售票厅一篇混乱，因此对线程进行管理是非常重要的一件事情。

任务

​ 创建一个线程，每间隔0.1秒，输出“Hello，OpenHarmony”，1秒后终止线程。

操作

​ 回忆第一个hello.c的例子

​ 我们要编写的程序样例就在源码根目录下的：applications/sample/wifi-iot/app/

​ 下面将具体演示如何编写程序样例。

1. 新建样例目录

   applications/sample/wifi-iot/app/thread_demo

2. 新建源文件和gn文件

   applications/sample/wifi-iot/app/thread_demo/singleThread.c

   applications/sample/wifi-iot/app/thread_demo/BUILD.gn

3. 编写源码

注意：我们需要使用到cmsis_os2.h这个库，请伙伴们按照笔者介绍的方法把includePath修改好。

问题一：怎么创建线程？

typedef struct {
  /** Thread name */
  const char                   *name;
  /** Thread attribute bits */
  uint32_t                 attr_bits;
  /** Memory for the thread control block */
  void                      *cb_mem;
  /** Size of the memory for the thread control block */
  uint32_t                   cb_size;
  /** Memory for the thread stack */
  void                   *stack_mem;
  /** Size of the thread stack */
  uint32_t                stack_size;
  /** Thread priority */
  osPriority_t              priority;
  /** TrustZone module of the thread */
  TZ_ModuleId_t            tz_module;
  /** Reserved */
  uint32_t                  reserved;
} osThreadAttr_t;

这是线程的结构体，它具有以下属性：

• name：线程的名称。
• attr_bits：线程属性位。
• cb_mem：线程控制块的内存地址。
• cb_size：线程控制块的内存大小。
• stack_mem：线程栈的内存地址。
• stack_size：线程栈的大小。
• priority：线程的优先级。
• tz_module：线程所属的TrustZone模块。
• reserved：保留字段。

问题二：怎么把线程启动起来呢？

osThreadId_t osThreadNew (osThreadFunc_t func, void *argument, const osThreadAttr_t *attr);

这是创建线程的接口函数，他有三个参数，一个返回值，我们来逐个解析

func： 是线程的回调函数，你创建的这个线程会执行这段函数的内容。

arguments：线程回调函数的参数。

attr：线程的属性，也就是我们之前创建的线程

返回值：线程的id 如果id不为空则说明成功。

问题三：怎么终止线程呢？

osStatus_t osThreadTerminate (osThreadId_t thread_id);

显然我们只要传入线程的id就会让该线程终止，返回值是一个状态码，下面给出全部的状态码

typedef enum {
  /** Operation completed successfully */
  osOK                      =  0,
  /** Unspecified error */
  osError                   = -1,
  /** Timeout */
  osErrorTimeout            = -2,
  /** Resource error */
  osErrorResource           = -3,
  /** Incorrect parameter */
  osErrorParameter          = -4,
  /** Insufficient memory */
  osErrorNoMemory           = -5,
  /** Service interruption */
  osErrorISR                = -6,
  /** Reserved. It is used to prevent the compiler from optimizing enumerations. */
  osStatusReserved          = 0x7FFFFFFF
} osStatus_t;

​ 回调函数怎么写？当然是结合我们的任务，每间隔0.1秒，输出“Hello，OpenHarmony”，1秒后终止。讲到这里，代码的整体逻辑是不是就清晰了很多，直接上完整代码。

#include <stdio.h>
#include "ohos_init.h"
// CMSIS
#include "cmsis_os2.h"
// POSIX
#include <unistd.h>

// 线程回调函数
void printThread(void *args){
    (void)args;
    while(1){
        printf("Hello,OpenHarmony!\r\n");
        // 休眠0.1秒
        osDelay(10);
    }
}

void threadTest(void){
    // 创建线程
    osThreadAttr_t attr;
    attr.name = "mainThread";
    // 线程
    attr.cb_mem = NULL;
    attr.cb_size = 0U;
    attr.stack_mem = NULL;
    attr.stack_size = 1024;
    attr.priority = osPriorityNormal;

    // 将线程启动
    osThreadId_t tid = osThreadNew((osThreadFunc_t)printThread, NULL, &attr);
    if(tid == NULL){
        printf("[Thread Test] Failed to create printThread!\r\n");
    }

    // 休眠5秒
    osDelay(500);
    // 终止线程
    osStatus_t status = osThreadTerminate(tid);
    printf("[Thread Test] printThread stop, status = %d.\r\n", status);

}

APP_FEATURE_INIT(threadTest);

4. 编写gn文件

static_library("thread_demo"){
    sources = [
        "singleThread.c"
    ]
    include_dirs = [
        "//commonlibrary/utils_lite/include",
        "//device/soc/hisilicon/hi3861v100/hi3861_adapter/kal/cmsis"
    ]
}

5. 编写app下的gn文件

​ 注意的是，这次的写法与上次不同，是因为笔者的样例文件名和静态模块的名字是一样的就可以简写。

执行效果

多线程的封装

在处理业务的时候，我们一般是多线程的背景，下面笔者将创建线程函数封装起来，方便大家创建多线程

osThreadId_t newThread(char *name, osThreadFunc_t func, void *arg){
    // 定义线程和属性
    osThreadAttr_t attr = {
        name, 0, NULL, 0, NULL, 1024, osPriorityNormal, 0, 0
    };
    // 创建线程
    osThreadId_t tid = osThreadNew(func, arg, &attr);
    if(tid == NULL){
        printf("[newThread] osThreadNew(%s) failed.\r\n", name);
    }
    return tid;
}

​ 线程部分先体会到这里，想要探索更过线程相关的API，笔者这里提供了API网站，供大家参考学习。

CMSIS_OS2 Thread API

软件定时器

​ 下面我们介绍软件定时器，老样子我们先来介绍以下软件定时器。软件定时器是一种在软件层面上实现的计时器机制，用于在特定的时间间隔内执行特定的任务或触发特定的事件。它不依赖于硬件定时器，而是通过软件编程的方式实现。举一个例子，手机应用。

​ 当你使用手机上的某个应用时，你可能会注意到，如果你在一段时间内没有进行任何操作，应用程序会自动断开连接并要求你重新登录。这是为了保护你的账号安全并释放服务器资源。类似的设定都是有软件定时器实现的，下面进行实际操作，让大家体会一下软件定时器。

任务

​ 创建一个软件定时器，用来模拟上述手机应用的例子。为了方便理解，假设从此刻开始，我们不对手机做任何操作，也就是说，我们的回调函数只需要单纯的计算应用不被操作的时常即可。

操作

1. 新建样例目录

   applications/sample/wifi-iot/app/thread_demo

2. 新建源文件和gn文件

   applications/sample/wifi-iot/app/thread_demo/singleThread.c

   applications/sample/wifi-iot/app/thread_demo/BUILD.gn

3. 编写源码

创建软件定时器

osTimerId_t osTimerNew (osTimerFunc_t func, osTimerType_t type, void *argument, const osTimerAttr_t *attr);

func: 软件定时器的回调函数

type：软件定时器的种类

argument：软件定时器回调函数的参数

attr：软件定时器的属性

返回值：返回软件定时器的id， id为空则说明软件定时器失败

typedef enum {
  /** One-shot timer */
  osTimerOnce               = 0,
  /** Repeating timer */
  osTimerPeriodic           = 1
} osTimerType_t;

软件定时器的种类有两个，分为一次性定时器和周期性定时器，一次性在执行完回调函数后就会停止计数，而周期性定时器会重复触发，每次触发重新计时。根据不同的需求我们可以选择使用不同的软件定时器。

启动软件定时器

osStatus_t osTimerStart (osTimerId_t timer_id, uint32_t ticks);

timer_id：软件定时器的参数，指定要启动哪个软件定时器

ticks：等待多少个ticks执行回调函数，在Hi3861中 100个ticks为1秒

返回值：软件定时器的状态码，在线程部分已经展示给大家了全部的状态码

停止定时器

osStatus_t osTimerStop (osTimerId_t timer_id);

这个函数很简单，只需要传软件定时器的id，即可停止软件计时器，并且返回他的状态码

删除定时器

osStatus_t osTimerDelete (osTimerId_t timer_id);

删除和停止类似，就不多说明了。

下面是源代码

#include <stdio.h>
#include "ohos_init.h"
// CMSIS
#include "cmsis_os2.h"
// POSIX
#include <unistd.h>

// 为操作软件的时间
static int times = 0;

// 软件定时器回调函数
void timerFunction(void){
    times++;
    printf("[Timer Test] Timer is Running, times = %d.\r\n", times);
}

// 主函数
void timerMain(void){
    // 创建软件定时器
    osTimerId_t tid = osTimerNew(timerFunction, osTimerPeriodic, NULL, NULL);
    if(tid == NULL){
        printf("[Timer Test] Failed to create a timer!\r\n");
        return;
    } else {
        printf("[Timer Test] Create a timer success!\r\n");
    }
    // 启动软件定时器，每1秒执行一次回调函数
    osStatus_t status = osTimerStart(tid, 100);

    // 当超过三个周期位操作软件时，关闭软件
    while(times <= 3){
        osDelay(100);
    }
    // 停止软件定时器
    status = osTimerStop(tid);
    // 删除软件定时器
    status = osTimerDelete(tid);
    printf("[Timer Test] Time Out!\r\n");
}

void TimerTest(void){
    // 创建测试线程
    osThreadAttr_t attr;
    attr.name = "timerMain";
    attr.attr_bits = 0U;
    attr.cb_mem = NULL;
    attr.cb_size = 0U;
    attr.stack_mem = NULL;
    attr.stack_size = 0U;
    attr.priority = osPriorityNormal;
    
    // 启动测试线程
    osThreadId_t tid = osThreadNew((osThreadFunc_t)timerMain, NULL, &attr);
    if(tid == NULL){
        printf("[Timer Test] Failed to created timerMain!\r\n");
    }
}

APP_FEATURE_INIT(TimerTest);

4. 编写gn文件

static_library("timer_demo"){
    sources = [
        "timer.c"
    ]
    include_dirs = [
        "//commonlibrary/utils_lite/include",
        "//device/soc/hisilicon/hi3861v100/hi3861_adapter/kal/cmsis"
    ]
}

5. 编写app下的gn文件

执行效果

软件定时器的API相对较少，这里还是提供所有的软件定时器API

CMSIS_OS2 Timer API

结束语

​ 本篇主要介绍了一些基础内核编程相关的内容，希望能够帮助到学习OpenHarmony的伙伴们，考虑到篇幅问题，剩余的基础内核编程将在OpenHarmony智能开发套件[内核编程·上]中介绍，如有建议或问题的伙伴请在评论区留言。