个人学习内核心得（一）——内核基础

发布于 2019-02-26 11:16:43 浏览：2916 订阅该版

* 本帖最后由 家定不举棋 于 2019-2-27 20:27 编辑 *

第一次系统性的学习RTThread，将个人所学到的东西分享在这里，希望大家多多指点和批评，互相进步，互相提高。主要参考RT-Thread快速入门文档、RT-Thread内核实现与应用开发实战指南——基于野火STM32全系列（M3/4/7）开发板、RT-THREAD编程指南、内核实验手册、网上查询的资料，学习使用的是内核示例代码。![rtthread_simulator_v0.1.0.7z](/uploads/201902/26/114030mip1fjfwrou0vwrs.attach)

首先打开代码后对其进行仿真
打开串口界面；开始运行可看到RT-Thread标志将程序进行复位，对其进行单步处理，可看到程序的起始函数为:
```int $Sub$main(void)
{
    rt_hw_interrupt_disable();//关闭系统中所有的中断 
    rtthread_startup();//启动线程
    return 0;
}```说明程序真正的起始函数为$Sub$main(void)。程序第一步为关闭系统中断，这保证了当前线程或代码不会被其他中断事件所打断，保证了系统初始化的安全性和稳定性。rt_hw_interrupt_disable()函数在context_rvds.S文件中进行定义，返回中断前的系统中断状态。
查看rtthread_startup()函数定义，看到系统初始化函数为：
![rtthread_startup.png](/uploads/201902/26/134930ccynmmmc13qyhhdd.png)从函数中可以看到整个系统初始化步骤为：
1. 初始化与系统相关的硬件、系统内存堆：rt_hw_board_init()
2.初始化系统内核对象：定时器、调度器、信号量等：rt_system_timer_init();     rt_system_scheduler_init();     rt_system_signal_init();
3.创建main线程，在main线程中用户可以自己创建相关应用：rt_application_init();
4.初始化系统定时器线程、空闲线程，启动调度器：rt_system_timer_thread_init();     rt_thread_idle_init();     rt_system_scheduler_start();

一般MCU的存储空间=片内Flash（硬盘）+片内RAM（内存）。程序编译完成后会生成一个.map文件，来说明各函数的尺寸和地址，在map文件最后会显示出代码的相关存储信息。RO Size=Code+RO-data：程序所占用Flash空间的大小=代码段（程序代码）+只读数据段（程序定义的常量）
RW Size=RW-data+ZI-data：运行时占用的RAM空间大小=读写数据段（非0值的全局变量）+0数据段（未初始化的全局变量+初始化为0的变量）
ROM Size=Code+RO Data+RW Data：表示烧写程序所占用的Flash空间的大小
同时还会生成烧录进单片机的可执行映射文件：.bin文件或者.hex文件=RO Size+RW Size
关系图如下所示：
![RT-Thread程序分布Program Size.png](/uploads/201902/26/141840bz3ohpa3o5f5nrw4.png)

单片机上电后：1、默认Flash启动；2、将RW段的RW-data放到RAM中，不搬运RO-data和Code，执行代码时候CPU直接读取Flash；3、根据ZI地址和大小分配ZI段 ，将RAM区域请0。
其中系统最初初始化的动态内存堆为未使用的RAM，应用程序申请和释放的内存块都来自该空间。

自动初始化机制可以让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，函数即可在系统启动过程中被执行。即在rt_components_board_init()和rt_components_init()中被执行。
自动初始化机制函数如下图所示：
![自动初始化机制.png](/uploads/201902/26/143014e4mpjqk6386j330x.png)
```INIT_BOARD_EXPORT(fn)//初始化最基础的板级硬件

INIT_PREV_EXPORT(fn)//初始化纯软件，不依赖太多的函数

INIT_DEVICE_EXPORT(fn)//初始化外设驱动设备

INIT_COMPONENT_EXPORT(fn)//初始化组件

INIT_ENV_EXPORT(fn)//初始化系统环境

INIT_APP_EXPORT(fn)//初始化应用```

内核对象是内核中绝大部分的设施，内核对象包括：线程、信号量、互斥量、事件、邮箱、消息队列、定时器、内存池、设备驱动等。对于内核对象有相应的结构体来定义每个内核对象的信息，内核对象结构的基本信息如下所示：
```struct rt_object
{
    char             name[RT_NAME_MAX];//内核对象的名称
    rt_uint8_t     type;                               //内核对象的类型
    rt_uint8_t     flag;                                //内核对象的参数

#ifdef RT_USING_MODULE
    void      *module_id;//应用模块的ID
#endif
    rt_list_t  list;//内核对象管理链表
};
```对于内核对象又有以下类型分类(系统中最多能容纳的对象类别数目是127个)：
![内核对象类型rt_object_class_type.png](/uploads/201902/26/144953fl4lzggllhqdjtqc.png)
对于同一种类型的内核对象通过内核对象容器来进行管理，其具体结构体为rt_object_information：
```struct rt_object_information
{
    enum rt_object_class_type type;//内核对象类型
    rt_list_t object_list;//内核对象链表，每一类对象的具体实例通过链表的形式挂接
    rt_size_t object_size;//内核对象大小，每一类对象占用的内存块大小都是相同的
};
```
与内核相关的部分API总结归纳如下：
![内核基础API.png](/uploads/201902/26/152730p66sz7q5rn1k2dn1.png)```/*查找指定对象的信息类型
 *输入相应的对象类型
 *在内核对象管理系统中寻找输入的对象类型，判断对象管理系统中是否有输入的对象类型，如果有返回初始化的相应对象容器，否则返回RT_NULL*/
struct rt_object_information *rt_object_get_information(enum rt_object_class_type type)

/*静态初始化内核对象
 *输入需要初始化的静态内核对象容器、对象类型、对象名称
 *1.通过对象类型获得对象的信息，确保对象信息不为RT_NULL
 *2.设置静态内核对象的类型标志
 *3.将对象的名称赋值到内核对象中
 *4.使用钩子函数
 *5.关闭中断
 *6.将初始化的内核对象加入到对应的对象容器中
 *7.打开中断*/
void rt_object_init(struct rt_object *object,enum rt_object_class_type type,const char *name)

/*脱离静态对象
 *输入所要脱离的静态对象句柄
 *1.确保所要脱离的对象不为RT_BULL
 *2.使用钩子函数
 *3.重置对象类型，将对象的type赋值为0
 *4.关闭中断
 *5.将对象从对应的对象容器列表中删除
 *6.打开中断*/
void rt_object_detach(rt_object_t object)

/*动态申请内核对象
 * 输入对象的类型、对象名称
 *1.确保函数不在中断历程中
 *2.通过对象的类型获取对象信息，确保对象信息不为RT_NULL
 *3.为对象动态申请一个内存空间，确保申请的对象不为RT_BULL，否则返回RT_BULL
 *4.清除对象的内存数据
 *5.设置对象的类型
 *6.将对象标志位设为0
 *7.设置对象名称
 *8.使用钩子函数
 *9.关闭中断
 *10.将此对象加入到对应的对象容器中
 *11.打开中断并返回刚创建的对象*/
rt_object_t rt_object_allocate(enum rt_object_class_type type, const char *name)

/*删除动态内核对象
 *输入需要删除的对象句柄
 *1.确保所要删除的对象不为RT_BULL，确保对象不是静态内核对象
 *2.使用钩子函数
 *3.重置对象类型，将对象类型设置为0
 *4.关闭中断
 *5.将对象从对应的对象容器列表中删除
 *6.打开中断
 *7.释放动态内存申请的内存空间*/
void rt_object_delete(rt_object_t object)

/*判断对象是否是静态系统对象
 *输入所要判断的对象句柄
 *1.确保所要判断的对象不为RT_NULL
 *2.判断对象的类型是否为静态对象类型，如果是则返回RT_TRUE，否则返回RT_FALSE*/
rt_bool_t rt_object_is_systemobject(rt_object_t object)

/*返回对象的类型
 *输入所要获取类型的对象句柄
 *1.确保所要获取类型的对象不为RT_NULL
 *2.返回对象的类型*/
rt_uint8_t rt_object_get_type(rt_object_t object)

/*查找内核对象
 *输入所要查找的内核对象名称、对象类型
 *1.如果对象名称为RT_BULL或者类型不存在那么返回RT_NULL
 *2.确保函数不在中断历程中
 *3.进入临界区，锁定线程调度器
 *4.通过输入的对象类型获取对象对象信息，并确保对象信息不为RT_NULL
 *5.在对象列表中进行搜寻获取内核对象，判断对象名称是否一致，如果是，则退出临界区并返回对象；如果不是则退出临界区并返回RT_BULL*/
rt_object_t rt_object_find(const char *name, rt_uint8_t type)```

以上所有框图总结如下（以上使用的框图软件为XMind8）：
![内核基础.png](/uploads/201902/26/153005ccc3jkzsrjjevpsl.png)

![内核基础.xmind](/uploads/201902/26/153231mn0q3jug4gu34r03.attach)