2020年01月16日 | stm8s_atomthread

STM8S Atomthread 实时操作系统移植

介绍

1.嵌入式操作系统基本知识

嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的基本元素；跟通用计算机系统（如windows、linux等）相比，嵌入式系统具备专用性强、可剪裁性好、实时性好和功耗低的特点。

实时操作系统满足条件： 

必须是多任务（任务调度或调度器，最核心功能）

任务的切换时间与系统当前任务数无关（调度器对任务切换时间）

中断延时的时间可预知并尽可能短（任务实时性要求，即为CPU对任务响应速度）

目前，实时系统主要类型： 

抢占式（剥夺式）

非抢占式（非剥夺式）

2.实时操作系统介绍：Atomthread

Atomthread完全开源、轻量、便捷，针对于嵌入式操作系统的实时调度。

具备特性：抢占式、无限的线程（在RAM允许的条件下）、255个优先级、相同优先级的时间片轮、任务同步与互斥、队列、定时器、具备元素的阻塞与非阻塞、线程的堆栈分析等系统基本元素。

对于初步学习操作系统的非计算机类学生来说是简便的，尤其是电子类学生或从事嵌入式设计的人是有效的系统学习对象。官方原生支持STM8系列CPU，配套电协第5代开发板，相应编写本教程，有助于大家进一步理解单片机系统。

系统文件组成：

文件名 文件作用 备注

atom.h 系统API 任务控制块、系统错误宏、系统API等

atomkernel.c 系统内核源码 内核功能：上下文切换、中断、TCB控制、信号量等

atommutex.c 互斥源码 **

atomport-template.h 系统宏、类型声明 时间片轮设定

atomqueue.c 队列源码 **

atomsem.c 信号量源码 **

atomtimer.c 定时器源码 系统滴答时钟、应用性定时器

3.注意：

Atomthread官方网站：http://atomthreads.com/

以下编写当中，涉及到的变量、宏及函数等，通过()提供文件位置，请注意。

Atomthread（STM8版本）使用指南

1.STM8S版本特点

移植唯一需要修改的汇编文件。

编译器的特点： IAR编译器的虚拟寄存器、变量空间选择关键字等特点。

Atom官方原生支持使用ST公司的官方库文件，应用代码都将使用库函数而不再是直接操作寄存器。学习需要注意数据结构体的设计和指针的灵活使用。

2.使用Atom基本流程：

系统初始化：设置空闲堆栈大小

启动系统时钟 

根据实际调节系统时间片轮

根据实际调节滴答定时器

创建线程 

设置任务堆栈大小

创建任务区（任务函数）

启动系统

3.电协

电协为广大的学习者，将ST库版本从1.1修改为V2.1（目前最新版本），库函数更完整。同时独自移植了一套直接操作寄存器的Atom版本，提供多种选择。本文，基于库函数版本编写。

实验平台： 

IAR V6.3

电协第五代开发板-B版

软件工具：source insight 3.5

电协修改后的源代码文件结构： 

kernel：Atom系统内核

ports：特定平台（根据不同的芯片选择） 

lib：库函数 

inc：库函数头文件

src：库函数源文件

ports-stm8s：主程序和系统的端口代码，涵盖编译器的选择

project：工程文件

tests：Atom官方测试代码

user：应用程序代码

学习建议：凡是讲述代码部分，建议正确打开工程，一步步跟着讲述，查看每一个提及到的变量、函数等，这样对系统加深理解。我们是学习实时系统的原理，而不单是使用它，而且要有信心优化系统。

原理：Atomthread系统的整体架构解析

1.程序控制块（atom.h）

操作系统是一种管理软件，负责管理对象的信息之余还按照某种规则对这些对象进行分配、调度，而实现这些操作的前提是需要有一份关于对象的详细信息，我们称之为程序控制块。从代码上看，程序控制块就是一个结构体。在Atom系统里面，程序控制块的组成简化如下图。 

Atom系统里把上图所示结构体称之为ATOM_TCB（atom.h 4行），系统依赖于此结构来执行系统任务程序。 

*注意：任务堆栈使用记录，是由ATOM_STACK_CHECKING宏决定是否存在TCB当中，如果不需要使用堆栈检测功能，可以根据宏来设置。

2.任务（kernel.h）

生活中，我们习惯将大而复杂的事情“分而治之”，程序也会遇到类似的问题；也有时候，我们需要等待用户按下按键，同时也需要不断读取来自网络的数据。可见，多任务的好处就是用来解决并发性问题。一个问题，我们称之为任务，程序需要通过算法去将这个任务执行并解决。而多线程便解决多任务问题，所以，操作系统正是通过系统规则对任务进行分配资源、调度处理。Atom系统的任务及其内存结构如下图： 

由此可得，如果多个任务，就存在一张链表保存着所有任务的信息，通过图上标号F链接前一个任务控制块指针，标号N链接后一个任务控制块指针。系统则可以通过任务控制块链表来找到任意一个存在的任务，从而执行多个任务的程序。 

Atom系统将此链表称为tcbReadyQ（kernel.h 172行） 

至此，系统运行的“地基”已经造好。

3.（系统任务）系统程序（kernel.h）

系统初始化函数：atomOSInit()（kernel.h 657行）

任务链表 tcbReadyQ

系统的当前任务指针 curr_tcb

系统开关变量 atomOSStarted

创建空闲任务 idle_tcb（堆栈设置、优先级）

编写的代码中，除了有用户任务（处理应用程序逻辑）还需要有系统任务（处理系统逻辑），我们需要给予系统足够的堆栈空间运行，才能处理系统任务。Atom系统初始化系统自身的同时，也为自己创建了一个名为“空闲任务”的线程。 截取该函数主要代码解析：

    /* 初始化系统全局变量 */

    curr_tcb = NULL;//系统运行期间，该指针一直指向正在执行的任务控制块

    tcbReadyQ = NULL;//系统运行期间，该指针指向了保存所有任务控制块信息的链表

    atomOSStarted = FALSE;//作为系统的总开关变量，FALSE为停止系统调度任务，

                          //TRUE为开启系统调度任务

    /* 创建空闲线程（idle thread） */

    status = atomThreadCreate(&idle_tcb,//系统任务：空闲线程的程序控制块

                 IDLE_THREAD_PRIORITY,//空闲线程优先级，最低优先级255

                 atomIdleThread,//任务函数，空闲程序入口，不作用户任务。

                 0,

                 idle_thread_stack_top,//堆栈顶

                 idle_thread_stack_size);//堆栈大小

读者亲自查看代码，容易发现初始化系统函数仅接受两个参数（stack_top和stack_size），这意味着我们初始化系统只需要设置这连个参数，而函数内其他都是固定设置的，包括创建的idle_tcb。可见，系统启动必须存在“空闲任务”线程，它在系统没有其他用户任务需要处理的时候执行。当然，它只是一个死循环。

4.时间片轮（atomport.h）

时间片轮初始化函数：archInitSystemTickTimer()（atomport.c 237行），该函数启动STM8内部时钟（任意一个），并设置合适的定时间隔作为系统的心跳时间。系统的心跳快慢决定着系统切换任务的速率，所以需要根据实际来调节定时间隔。编写该函数等同于以往初始化某一定时器，详情翻查定时器章节。

每秒系统心跳次数：SYSTEM_TICKS_PER_SEC（atomport.c 237行），一个宏保存了系统心跳速率，方便使用其余系统函数。假设，定时间隔为10ms，那么该宏的值为100，合计1S。

时间片轮中断服务函数：System tick ISR函数名字根据实际决定，电协Atom版本于stm8s_it.c 225行，编写TIM1_UPD中断函数。

  /* 中断入口函数，中断嵌套层数全局变量atomIntCnt加一 */

  atomIntEnter();

  /* 系统时钟处理函数，心跳次数加一，并启动定时器回调 */

  atomTimerTick();

  /* 清空标志位 */

  TIM1->SR1 = (uint8_t)(~(uint8_t)TIM1_IT_UPDATE);

  /* 中断退出函数， atomIntCnt减一，调用系统调度程序*/

  atomIntExit(TRUE);

该程序，完成了系统自动调度任务功能，至此实时系统最基本的调度功能完成。

5.（用户任务）线程创建（kernel.h）

线程创建函数：atomThreadCreate() 

- 创建一个新线程并根据函数输入参数设置初始化TCB参数（挂起状态、优先级、队列指针、任务入口、入口参数） 

- 调用archThreadContextInit()，入栈操作。将thread_shell()返回信息记录在线程的TCB主中，使得下次调度后执行正确的线程开始位置。 

- 该函数内调用thread_shell()函数，能够找到线程处理函数入口地址。 

- 将该线程放到任务队列tcbReadyQ 

- 调用系统调度函数根据优先级决定线程运行，如果系统没有启动，则不进行调度。

线程堆栈问题： 

1. 线程被创建，随后由系统调度挂起或执行，都需要足够的堆栈区，用以保存线程的资源。任务的大小决定着线程堆栈大小，实际调试根据任务的复杂度来设置堆栈大小。 

2. Atom为线程提供堆栈检测接口，除了直观地设置堆栈大小，在声明了ATOM_STACK_CHECKING的情况下，还可以调用atomThreadStackCheck()函数检测线程堆栈使用情况。

6.任务调度（kernel.h）

系统任务调度函数：atomSched(),下面提供函数伪代码解析：

if(系统关闭）

    return ;

进入临界区，关闭总中断；

if(当前任务被挂起)

    从任务队列tcbReadyQ取出第一个线程调用atomThreadSwitch()切换任务；

else

    从tcbReadyQ取出任务优先级大于或者等于当前任务优先级等待执行的线程，进行任务切换，将当前任务添加到tcbReadyQ中；

退出临界区，开启总中断；

临界区：像象棋中的楚河汉界一样，我们跨越边界，也就是切换任务的时候，为防止出错，我们直接把总中断关断，确保系统在切换任务的过程不会被中断，堆栈数据自然得到了保护，那么就保证了任务切换的正确进行。随后，切换任务完成，我们再次开总中断。涉及的两个函数分别为：进入临界区CRITICAL_START() 和退出临界区CRITICAL_END()，定义在atomport.h 67行。

任务调度：调度器把调度工作分为两部分： 

第一步获取待运行的TCB指针：主要是任务队列操作（atomkernel.c） 

出队tcbDequeueHead()

入队tcbEnqueuePriority()

第二步进行断点数据的切换： 

atomThreadSwitch()（atomkernel.c 333行），该函数设置当前任务TCB指针curr_tcb，然后调用（汇编程序）archContextSwitch()根据两任务TCB切换指针SP和IAR虚拟寄存器。这样就可以完成断点数据切换了，断点数据主要是被切换任务的当前运行的CPU数据。

调度器种类：通过void atomSched(uint8_t timer_tick)参数timer_tick控制 

任务级：被atomThreadCreate()函数调用时，timer_tick为FALSE。

中断级：被atomIntExit()函数调用时，timer_tick为TRUE。除了滴答定时器，也就是系统心跳中断服务程序中，timer_tick为TRUE，其余都是任务级调度器。

7.启动系统

启动系统函数：atomOSStart()（atomkernel.c 694行），该函数主要处理： 

1. atomOSStarted全局系统标识开关，设置为TURE，允许启动系统 

2. 从任务队列取出“空闲任务”作为当前TCB指针curr_tcb，然后调用（汇编程序）archFirstThreadRestore()使它作为系统的第一个线程开始执行。

实验

示例一：双线程（多任务LED）

1.初步分析

一般，我们单片机的控制对象都是一个装置或设备（以下统称对象），任务的功能是相对固定的，典型的任务是一个无限循环结构,这样便可以不断处理事件。

void function ( void )

{

    while(1)

    {

        user_code;//用户代码

    }

}

那么，一般我们直接操作寄存器实现CPU片上设备的特定功能，然后响应被激活的中断，来实现对多个对象的控制。但这是单线程的处理，也是单片机常用的控制模式。随着功能愈复杂（对象量愈多），那么我们单线程的控制代码就会显得臃肿，难以维护，不利于产品迭代进化。 

假设，现在产生两个或以上的对象的控制矛盾，我们单线程处理就有点显得力不从心了。所以，使用多线程处理，能够更大限度地使用CPU资源，并行地运行多个任务（同时操作多个对象）。典型的多线程如下：

void thread_first ( void )

{

    while(1)

    {

        first_user_code;//第一个用户代码

    }

}

void thread_second ( void )

{

    while(1)

    {

        second_user_code;//第二个用户代码

    }

}

这时候有同学可能会问：while(1)不是一个死循环吗？对的，确实是。但Atomthread系统通过任务调度，实现了两个while(1)之间的切换，也就是我们所说的两个线程之间的调度了。恰好，我们通过堆栈保存断点数据实现任务切换，若不明白回头看6.任务调度章节。所以，我们在具有操作系统的情况下，只需要简单而便捷地创建一个线程，就可以实现对新增的对象进行控制，而不是设定一个又一个的标志位或状态机去轮询控制。

2.多任务——再玩闪烁LED

让我们通过Atom系统，实现入门单片机实验的LED闪烁功能。 

现在，先请读者回头翻看，使用指南 2.使用Atom基本流程；

步骤1：

除了包含必要的头文件外。首先，我们得对我们创建的线程声明必要的变量，为了方便修改。

/* 空闲（起始）任务：堆栈大小 */

#define IDLE_STACK_SIZE_BYTES       104

NEAR static uint8_t idle_thread_stack[IDLE_STACK_SIZE_BYTES];

/* 任务一：优先级、堆栈大小、堆栈区、任务块、任务函数体 */

#define FIRST_THREAD_PRIO 1

#define FIRST_STACK_SIZE_BYTES      208

NEAR static uint8_t first_thread_stack[FIRST_STACK_SIZE_BYTES];

static ATOM_TCB first_tcb;

static void first_thread_func (uint32_t param);

/* 任务二：优先级、堆栈大小、堆栈区、任务块、任务函数体 */

#define SECOND_THREAD_PRIO 2

#define SECOND_STACK_SIZE_BYTES      156

NEAR static uint8_t second_thread_stack[SECOND_STACK_SIZE_BYTES];

static ATOM_TCB second_tcb;

static void second_thread_func (uint32_t param);

解析点： 

1. 空闲任务的堆栈不易过小，用户任务的堆栈根据实际分配。 

2. NEAR为IAR编译器对STM8的变量内存分配空间管理的关键字，实际为IAR提供的编译模式，这里是微模式，简单理解为内存中放置程序代码及数据的方式。

步骤2：

接下来就是用户任务（应用线程）的编写，这里放置实际功能的代码。我们分别让开发板的LED0（PB0）和LED1（PB1）先后以一定时间间隔闪烁。

/*****************************************************************************

 函 数 名  : first_thread_func

 功能描述  : 任务一：led0闪烁

 输入参数  : param  

 输出参数  : 无

 返 回 值  : 

 调用函数  : 

 被调函数  : main

*****************************************************************************/

static void first_thread_func (uint32_t param)

{

    GPIO_Init(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST);

    while (1)

    {

        GPIO_WriteReverse(GPIOB, GPIO_PIN_0);

        atomTimerDelay(50);

    }

}

/*****************************************************************************

 函 数 名  : second_thread_func

 功能描述  : 任务二：led1闪烁

 输入参数  : param  

 输出参数  : 无

 返 回 值  : 

 调用函数  : 

 被调函数  : main

*****************************************************************************/

static void second_thread_func (uint32_t param)

{

    GPIO_Init(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_MODE_OUT_PP_LOW_FAST);

    while (1)

    {

        atomTimerDelay(50);

        GPIO_WriteReverse(GPIOB, GPIO_PIN_1);

    }

}

解析点： 

1. 这里调用了Atom系统的定时器延时函数atomTimerDelay()（atomtimer.c 328行），延时时间时基依赖于系统当前的心跳频率。

步骤3：

最后，编写主函数。

NO_REG_SAVE 

void main ( void )

{

    int8_t status;

    /* 系统初始化，赋予系统空闲运行堆栈 */

    status = atomOSInit(&idle_thread_stack[IDLE_STACK_SIZE_BYTES - 1], IDLE_STACK_SIZE_BYTES);

    if (status == ATOM_OK)

    {

        archInitSystemTickTimer();/* 启动系统滴答时钟 */

        atomThreadCreate(&first_tcb,

                         FIRST_THREAD_PRIO, first_thread_func, 0,

                         &first_thread_stack[FIRST_STACK_SIZE_BYTES - 1],

                         FIRST_STACK_SIZE_BYTES);

        atomThreadCreate(&second_tcb,

                         SECOND_THREAD_PRIO, second_thread_func, 0,

                         &second_thread_stack[SECOND_STACK_SIZE_BYTES - 1],