實時操作系統(tǒng)mbedOS啟動流程剖析

劉長勇，王宜懷 ，蔡闖華，蔣建武

1.武夷學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機(jī)學(xué)院，福建 武夷山 354300

2.蘇州大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006

3.認(rèn)知計算與智能信息處理福建省高校重點實驗室，福建 武夷山 354300

1 引言

2014 年ARM 公司推出了mbedOS，它是一種專為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中的“物體”設(shè)計的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）[1-2]，能提供精確的實時控制，以保證系統(tǒng)的實時性需求[3]，具有線程管理與調(diào)度、內(nèi)存管理、時間管理、隊列管理等基本功能要素，在協(xié)議棧和IP 網(wǎng)絡(luò)組件[4]、通信技術(shù)和安全訪問服務(wù)機(jī)制[5]、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺[6]等方面得到廣泛應(yīng)用?；赗TOS 的嵌入式開發(fā)，對應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性和啟動時間等都有嚴(yán)格的要求，在啟動過程中要完成?？臻g、堆空間、線程棧大小、時間嘀嗒、線程調(diào)度機(jī)制等方面的設(shè)置[7]，具有啟動時間短且復(fù)雜性高的特點。因此，充分理解RTOS 的啟動流程，有助于開發(fā)人員設(shè)計出響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)。目前，有關(guān)操作系統(tǒng)啟動的研究集中在Android 操作系統(tǒng)[8]、MQX 操作 系 統(tǒng)[9]、μC/OS-III 操 作 系 統(tǒng)[10]、Linux 操 作 系 統(tǒng)[11]、MTX 操作系統(tǒng)[12]以及ARM 嵌入式系統(tǒng)的啟動過程[13]等方面，但對mbedOS的啟動剖析研究方面缺乏相關(guān)資料。為此，本文將利用蘇州大學(xué)與ARM 公司聯(lián)合出品的嵌入式開發(fā)集成開發(fā)環(huán)境AHL-GEC-IDE 和金葫蘆AHL-A 系列Cortex-M0+內(nèi)核的KL36 微控制器[14]（即AHL-AN100VL 型號開發(fā)板），基于SD-mbedOS 工程框架對mbedOS的啟動流程進(jìn)行分析，剖析其從芯片上電啟動，到main函數(shù)，最終進(jìn)入mbedOS啟動的全過程，結(jié)合關(guān)鍵代碼、宏定義函數(shù)、流程圖、SVC中斷[15]等分析其實現(xiàn)的原理，可為mbedOS的應(yīng)用研究和在不同微控制器上的移植提供基礎(chǔ)，也可為其他RTOS的啟動分析提供借鑒參考。

2 SD-mbedOS工程框架啟動流程

SD-mbedOS工程框架的啟動過程分為芯片上電啟動和實時操作系統(tǒng)mbedOS 啟動兩部分，如圖1 所示。芯片上電啟動包括堆棧指針初始化、啟動復(fù)位向量、關(guān)中斷、關(guān)閉看門狗、系統(tǒng)時鐘初始化、開中斷、復(fù)制初始化數(shù)據(jù)至RAM、清空BSS數(shù)據(jù)段、初始化標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)和運行主函數(shù)main，這一部分的內(nèi)容與操作系統(tǒng)無關(guān)。當(dāng)進(jìn)入主函數(shù)main 中調(diào)用mbedOS_start 函數(shù)時，才會將系統(tǒng)控制權(quán)移交給mbedOS，由它完成線程的調(diào)度工作。

圖1 SD-mbedOS工程框架啟動流程

芯片上電啟動是從調(diào)用startup_MKL36Z4.S這個啟動文件開始，芯片內(nèi)部機(jī)制首先從Flash 的0x00000000地址處取出中斷向量表第一個表項的內(nèi)容，賦給內(nèi)核寄存器主棧指針MSP，即完成堆棧指針的設(shè)置；芯片內(nèi)部機(jī)制從Flash 的0x00000004 地址處取出第二個表項（即復(fù)位向量Reset_Handler 的首地址），賦給程序計數(shù)器PC。然后，關(guān)中斷、調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)SystemInit 完成系統(tǒng)時鐘初始化和開中斷。接著，將已初始化的數(shù)據(jù)復(fù)制到RAM 中、清空BSS 數(shù)據(jù)段和調(diào)用__libc_init_array 完成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的初始化。最后，轉(zhuǎn)入main函數(shù)執(zhí)行，調(diào)用mbedOS_start函數(shù)完成mbedOS啟動。

3 mbedOS啟動流程解析

從芯片上電啟動到main函數(shù)后，將進(jìn)行mbedOS啟動。在該函數(shù)中會將主線程thd_main 和主線程執(zhí)行函數(shù)app_init 作為參數(shù)傳入mbedOS_start 函數(shù)，由它負(fù)責(zé)mbedOS 啟動。mbedOS 啟動過程包括定義臨時變量、設(shè)置mbedOS 堆棧區(qū)、重定向中斷向量表至RAM、內(nèi)核初始化、設(shè)置主線程屬性、創(chuàng)建主線程、啟動內(nèi)核等方面。

3.1 設(shè)置堆棧區(qū)和重定向中斷向量表

（1）定義臨時變量

定義三個臨時變量用于創(chuàng)建主線程，變量main_obj用于存儲線程控制塊，變量main_attr用于存儲將要創(chuàng)建的主線程屬性，main_stack數(shù)組用來作為主線程的棧空間。

os_thread_t main_obj；

osThreadAttr_t main_attr；

__attribute__（（aligned（8）））char main_stack[512]；

（2）設(shè)置mbedOS堆棧區(qū)

在mbedOS中只有一個主棧，主棧的棧底位置通常設(shè)置在RAM 的最高地址加1 處，由高地址向低地址方向分配?？臻g，主棧指針MSP 指向棧頂位置。堆通常用于存放臨時變量，由程序員動態(tài)分配和釋放，它一般采用鏈表的方式來管理變量，堆在內(nèi)存中位于bss 區(qū)和棧區(qū)之間，堆是從RAM 的低地址向高地址方向使用。調(diào)用函數(shù)mbed_set_stack_heap 設(shè)置mbedOS 的堆與棧的起始位置和大小，主要是對已定義的四個變量進(jìn)行初始化操作。

//取得空閑RAM起始地址與大小

unsigned char *free_start=HEAP_START；

uint32_t free_size=HEAP_SIZE；

//初始化棧大小與起始地址

mbed_stack_isr_size=ISR_STACK_SIZE＜free_size?ISR_STACK_SIZE：free_size；

mbed_stack_isr_start=free_start+free_size-mbed_stack_isr_size；

free_size-=mbed_stack_isr_size；

//初始化堆大小與起始地址

mbed_heap_size=free_size；

mbed_heap_start=free_start；

（3）重定向中斷向量表

在系統(tǒng)啟動時中斷向量表是在Flash中的，位于Flash的0x00000000地址處，通過函數(shù)mbed_cpy_nvic重定向中斷向量表到RAM 中，實際上就是將中斷向量表拷貝到RAM中。這樣做的好處在于當(dāng)用戶程序需要改寫中斷服務(wù)程序時，可以將相應(yīng)的中斷向量指向用戶改寫后的中斷服務(wù)程序，即將中斷向量表中相應(yīng)的表項改寫為中斷服務(wù)程序的地址。

//取得系統(tǒng)控制塊VTOR寄存器的值

uint32_t*old_vectors=（uint32_t*）SCB-＞VTOR；

//內(nèi)存地址起始地址：0x1FFFF800

uint32_t*vectors=（uint32_t*）NVIC_RAM_VECTOR_ADDRESS；

//將48個中斷向量拷貝到內(nèi)存地址中

for（int i=0；i＜NVIC_NUM_VECTORS；i++）

vectors[i]=old_vectors[i]；

//設(shè)置VTOR寄存器指向新的地址

SCB-＞VTOR=（uint32_t）NVIC_RAM_VECTOR_ADDRESS；

3.2 內(nèi)核初始化

內(nèi)核初始化過程主要由內(nèi)核初始化函數(shù)osKernel-Initialize、SVC 觸發(fā)封裝函數(shù)__svcKernelInitialize、實際初始化函數(shù)svcRtxKernelInitialize 以及中斷服務(wù)程序SVC_Handler 組成。其調(diào)用順序為osKernelInitialize→__svcKernelInitialize→ 觸 發(fā) SVC 中 斷 SVC_Handler→svcRtxKernelInitialize。

（1）SVC觸發(fā)封裝函數(shù)

內(nèi)核初始化函數(shù)osKernelInitialize 功能是判斷當(dāng)前是否處于中斷服務(wù)程序中或已經(jīng)屏蔽了中斷，若處于中斷服務(wù)程序中或已經(jīng)屏蔽了中斷，則返回出錯代碼；否則調(diào)用SVC 觸發(fā)封裝函數(shù)。SVC 觸發(fā)封裝函數(shù)__svcKernelInitialize 是一個宏定義函數(shù)，展開后是C 語言與匯編語言混合編程代碼，其功能是為觸發(fā)SVC 中斷服務(wù)程序做前期準(zhǔn)備工作，主要有：①將要執(zhí)行的實際內(nèi)核初始化函數(shù)指針放入R7 寄存器中，即將svcRtxKernelInitialize函數(shù)地址給R7；②使線程棧指針PSP 中的值為觸發(fā)SVC 中斷后的棧頂；③觸發(fā)SVC 中斷；④將調(diào)用R7中函數(shù)得到的返回值存放在PSP棧中。其宏定義為SVC0_0M（KernelInitialize，osStatus_t），展開后如下：

#define SVC0_0M（f，t） //宏定義

__attribute__（（always_inline）） //強(qiáng)制內(nèi)聯(lián)

//定義為靜態(tài)內(nèi)聯(lián)函數(shù)

__STATIC_INLINE t __svc##f（void）{

SVC_ArgN（0）； //定義r0作為通用寄存器

//保存svcRtxKernelInitialize函數(shù)地址到R7中

SVC_ArgF（svcRtx##f）；

//用于觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序

SVC_Call0M（SVC_In0，SVC_Out1，SVC_CL1）；

return（t）__r0； } //函數(shù)返回值由r0傳回

（2）SVC中斷服務(wù)程序

SVC中斷服務(wù)程序執(zhí)行流程如圖2所示，分為兩部分：前一部分為調(diào)用內(nèi)核初始化實際函數(shù)svcRtxKernel-Initialize 前的流程，主要完成對SVC 調(diào)用號的判斷、讀出準(zhǔn)備調(diào)用函數(shù)的入口地址等工作；后一部分為調(diào)用內(nèi)核初始化實際函數(shù)svcRtxKernelInitialize 函數(shù)（R7 寄存器存放該函數(shù)的地址）后的流程，主要完成恢復(fù)調(diào)用前的堆棧指針、函數(shù)調(diào)用后的返回值入棧、判斷是否進(jìn)行上下文切換、退出SVC中斷等工作。

圖2 SVC中斷處理程序執(zhí)行流程

3.3 創(chuàng)建主線程

內(nèi)核初始化之后，需要創(chuàng)建一個自啟動線程，以便內(nèi)核啟動后執(zhí)行它，由它創(chuàng)建其他用戶線程，這個自啟動線程稱為“主線程（thd_main）”。創(chuàng)建主線程的過程主要由變量定義、創(chuàng)建線程函數(shù)osThreadNew、帶上下文創(chuàng)建線程函數(shù)osThreadContextNew、SVC觸發(fā)封裝函數(shù)__svcThreadNew、實際創(chuàng)建線程函數(shù)svcRtxThreadNew以及中斷服務(wù)程序SVC_Handler構(gòu)成。

其調(diào)用順序為osThreadNew→osThreadContextNew→__svcThreadNew→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→svcRtxThreadNew。

（1）創(chuàng)建主線程的準(zhǔn)備工作

在mbedOS內(nèi)核中，使用線程控制塊TCB指針來表示一個線程。因此，創(chuàng)建主線程前要給TCB 和棧分配空間，并對屬性結(jié)構(gòu)體main_attr進(jìn)行初始化。

main_attr.stack_mem=main_stack；//棧指針

main_attr.stack_size=sizeof（main_stack）；//棧大小

main_attr.cb_mem=&main_obj；//控制塊指針

main_attr.cb_size=sizeof（main_obj）；//控制塊大小

main_attr.priority=osPriorityNormal；//優(yōu)先級為 24

main_attr.name="main_thread"；//名稱

（2）主線程的創(chuàng)建

主線程的創(chuàng)建最終是通過觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序調(diào)用svcRtxThreadNew 函數(shù)來完成的，該函數(shù)的主要任務(wù)包括定義臨時變量、判斷參數(shù)及內(nèi)存空間的合法性、初始化主線程TCB和線程棧、調(diào)用線程提交服務(wù)程序、設(shè)置主線程狀態(tài)并放入就緒隊列中等方面，其執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 主線程創(chuàng)建執(zhí)行流程

3.4 內(nèi)核啟動

在主線程創(chuàng)建成功后，mbedOS 會把主線程加入到就緒隊列中等待調(diào)用，接著將進(jìn)行內(nèi)核的啟動，為操作系統(tǒng)的運行做最后的準(zhǔn)備工作。啟動內(nèi)核主要由內(nèi)核啟動函數(shù)osKernelStart、SVC觸發(fā)封裝函數(shù)__svcKernelStart、實際內(nèi)核啟動函數(shù)svcRtxKernelStart 及中斷服務(wù)程序SVC_Handler 組成。其調(diào)用順序為osKernelStart→__svcKernelStart→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→svcRtxKernelStart。

（1）內(nèi)核啟動的實際執(zhí)行函數(shù)

最終實現(xiàn)內(nèi)核啟動的是svcRtxKernelStart 函數(shù)，其主要任務(wù)包括為線程的調(diào)度做好所有必要的準(zhǔn)備、創(chuàng)建必要的功能線程、設(shè)置時間嘀嗒、使能定時器中斷、線程調(diào)度、切換棧指針、修改內(nèi)核狀態(tài)等方面，其執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 內(nèi)核啟動執(zhí)行流程

（2）運行到主線程

在mbedOS 啟動過程中，通過調(diào)用svcRtxKernel-Start函數(shù)來啟動內(nèi)核。在內(nèi)核啟動期間，先后建立了主線程main_thread（優(yōu)先級為24）、空閑線程osRtxInfo.thread.idle（優(yōu)先級為1）和定時器線程osRtxInfo.timer.thread（優(yōu)先級為40），這三個線程的狀態(tài)都為就緒態(tài)，都被放到就緒隊列中，并按優(yōu)先級高低排列就緒，即定時器線程、主線程和空閑線程。當(dāng)svcRtxKernelStart 函數(shù)執(zhí)行完成后返回到SVC 中斷時，會在SVC 中斷中進(jìn)行上下文切換，此時由于有一個優(yōu)先級最高的線程（即定時器線程）處于激活態(tài)，它的線程控制塊指針被放在了osRtxInfo.thread.run.next 中，當(dāng)前線程與下一線程是不同的（即osRtxInfo.thread.run.curr≠osRtxInfo.thread.run.next），這時就會進(jìn)行上下文切換，將定時器線程切換為當(dāng)前線程，當(dāng)從SVC 中斷返回時就會轉(zhuǎn)到定時器線程中執(zhí)行。在定時器線程osRtxInfo.timer.thread 啟動后，先創(chuàng)建一個消息隊列，再從消息隊列取消息，由于此時消息隊列是空的，定時器線程被阻塞。之后mbedOS會進(jìn)行線程調(diào)度，從就緒隊列中選擇優(yōu)先級最高的線程（此時為主線程main_thread），將其狀態(tài)設(shè)置為激活態(tài)，準(zhǔn)備運行。至此，CPU的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給主線程，接著將由主線程執(zhí)行函數(shù)app_init（定義在08_mbedOsPrgapp_init.cpp 文件中）負(fù)責(zé)創(chuàng)建用戶線程。圖5 展示了從定時器線程切換到主線程運行這一過程中的函數(shù)調(diào)用關(guān)系，從中可以看出最終轉(zhuǎn)到app_init函數(shù)執(zhí)行。

4 存儲器使用情況分析

在mbedOS 啟動過程中，涉及到中斷向量表、程序代碼、常量、變量、堆、棧等空間分配問題，下面先給出KL36 微控制器結(jié)構(gòu)，然后分析mbedOS 啟動過程中Flash和RAM空間的使用情況。

圖5 從定時器線程切換到主線程運行的函數(shù)調(diào)用關(guān)系

4.1 KL36微控制器結(jié)構(gòu)

KL36 微控制器包括ARM Cortex-M0+內(nèi)核、存儲器模塊、外設(shè)模塊及相關(guān)總線等，存儲器模塊與32位的高性能系統(tǒng)總線相連，外設(shè)模塊與32位外設(shè)總線相連，還提供擴(kuò)展總線連接其他外圍設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 KL36微控制器結(jié)構(gòu)

4.2 Flash使用情況分析

KL36 片內(nèi) Flash 大 小 為 64 KB，地址范圍為0x00000000～0x0000FFFF，一般用來存放中斷向量、程序代碼、常數(shù)等。mbedOS啟動后Flash中各個區(qū)的地址范圍、大小及作用如表1 所示（表中數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制表示，下同）。

4.3 RAM使用情況分析

（1）mbedOS啟動后RAM使用情況分析

KL36片內(nèi)RAM為靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM，大小為8 KB，地址范圍為0x1FFFF800～0x200017FF，一般用來存儲全局變量、靜態(tài)變量、臨時變量（堆?？臻g）等。該芯片?？臻g的使用方向是從大地址向小地址方向進(jìn)行的。因此，?？臻g的棧頂設(shè)置在RAM 地址的最大值+1處。而堆空間的使用方向是從小地址向大地址方向進(jìn)行的，這樣可以減少重疊錯誤。mbedOS啟動后RAM中各個段的地址范圍、大小及作用如表2所示。

（2）各線程RAM分配情況分析

在mbedOS 的啟動過程中，先后建立了主線程main_thread、空閑線程osRtxInfo.thread.idle、定時器線程osRtxInfo.timer.thread，并啟動定時器SysTick 中斷。在切換到主線程函數(shù)app_init 執(zhí)行之前，這三個線程的RAM 分配情況如表3 所示，在鏈表中的關(guān)系如圖7 所示。表中的成員名來源于線程控制塊結(jié)構(gòu)體和線程屬性結(jié)構(gòu)體，sp的值等于stack_mem+stack_size-64（這個64 Byte 的固定區(qū)域是用于在線程進(jìn)行上下文切換時，保存線程的上下文，即R0～R12、R14、R15、xPSR等16個寄存器），0x1FFFF8E0地址表示就緒隊列頭指針。

當(dāng)定時器線程啟動之后就被阻塞，轉(zhuǎn)由主線程控制CPU 的使用權(quán)，在主線程函數(shù)app_init 中分別建立紅燈線程thd_redlight、藍(lán)燈線程thd_bluelight 和綠燈線程thd_greenlight三個用戶線程，當(dāng)這三個用戶線程啟動完后，主線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)。此時，系統(tǒng)中有四個線程，分別是空閑線程、紅燈線程、藍(lán)燈線程和綠燈線程，這四個線程的RAM分配如表4所示，在鏈表中的關(guān)系如圖8所示。

表1 Flash中的各區(qū)地址范圍、大小及作用

表2 RAM中的各段地址范圍、大小及作用

表3 執(zhí)行app_init之前系統(tǒng)線程的RAM分配情況表

圖7 系統(tǒng)線程之間的關(guān)系

表4 執(zhí)行app_init之后線程的RAM分配情況表

圖8 用戶線程之間的關(guān)系

5 結(jié)束語

mbedOS 的啟動過程是一個極其復(fù)雜的過程，涉及到操作系統(tǒng)運行時所需的?？臻g、堆空間、線程控制塊等資源的初始化，系統(tǒng)時鐘的設(shè)置，就緒隊列、延時隊列和等待隊列等的管理，以及對線程的調(diào)度，涉及到函數(shù)調(diào)用關(guān)系也極為復(fù)雜。本文通過對SD-mbedOS工程框架啟動流程的分析，簡要地給出了芯片上電啟動過程，通過源碼、宏定義函數(shù)、SVC中斷、流程圖等方式來著重剖析mbedOS 的啟動過程，最后分析了mbedOS 的存儲器使用情況。通過剖析，有助于讀者快速理解mbedOS的啟動過程、調(diào)度機(jī)制和整體架構(gòu)，為簡化啟動流程、優(yōu)化執(zhí)行過程、提升啟動速度等進(jìn)一步研究工作提供研究基礎(chǔ)，也為mbedOS在不同微控制器上的移植提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文涉及到的工程可到蘇州大學(xué)嵌入式學(xué)習(xí)社區(qū)網(wǎng)站（http：//sumcu.suda.edu.cn）的“教學(xué)培訓(xùn)-教學(xué)資料-mbedOS”位置，下載“SD_mbedOS_Start（KL36）”查看。