RTOS操作系统多线程抢占的工作原理

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作者 | strongerHuang

微信公众号 | 嵌入式专栏

最近看见技术交流群在讨论相关的问题，这里分享一篇旧文，希望对这部分读者有帮助。

操作系统对于初学者来说是一个很“高深”的内容，里面很多原理摸不清楚，导致还没入门就放弃了。

本文就从底层开始，讲述抢占式操作系统（大多数RTOS）的抢占原理。

包含：

• 线程基础原理
  

• 线程之间抢占
  

• 中断抢占线程
  

• 中断抢占中断

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1

运行多个线程

1.单核“单线程”

严格来说，单核处理器一次只能执行一条指令，也就是说只能“单线程”。（当然，多核处理器就不一样）

为了在单核处理器上运行多个线程，我们实际上需要定期在线程之间进行快速切换，以便用户感觉多个线程在并行运行。

比如处理器执行两个线程，处理器实际在两个线程之间来回切换，如下图：

2.处理器在线程之间切换，它是如何做到的？

我们说的单核处理器是“单线程”的，它有一组寄存器，我们就叫这组寄存器属于一个“线程”。

例如，计算两个数字的总和时：

//假设我们有两个整数：a和b
int c = a + b ;

实际发生的情况如下所示（当然，它取决于的MCU类型，但总体思路是相同）：

# MIPS反汇编：

LW V0, -32744(GP)   # "a" 的值从RAM加载到寄存器V0
LW V1, -32740(GP)   # 值"b" 从RAM加载到寄存器V1
ADDU V0, V1, V0     # a、b值相加，结果保存到寄存器V0中
SW V0, -32496(GP)   # 寄存器V0的值存储在RAM中（变量c所在的位置）

你会发现上面执行了4个动作，但是抢占式操作系统可以在任何时候抢占另一个线程，包括在这4个动作之间。

假如在这过程中有其他线程抢占了，其他线程同样抢占了当前线程V0、 V1，如果不对V0、 V1进行保存，那么下次回来执行当前线程，结果就会出错。

所以，针对当前这种问题，我们就需要在切换线程之前，对V0、 V1的数值进行保存，当下次切换到当前线程，再恢复V0、 V1的数值，大致流程如下：

大概意思就是：当我们需要从一个线程切换到另一个线程时，内核获得控制权，执行必要的内务处理（至少要保存和恢复寄存器值），然后将控制权转移到下一个线程以运行。

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2

线程的堆栈

上面说的抢占位置，到底在哪里，每个线程保存在哪个寄存器值中？这就是线程的堆栈的内容。

在有MMU的操作系统中，（用户的）线程堆栈可以按需动态增长：线程需要的堆栈空间越多，线程堆栈就越多（如果内核允许）。

但是，我们一般的MCU却没有MMU这个“高端”的东西，所有RAM都静态映射到地址空间。因此，每个线程都会有用于堆栈的RAM空间，如果线程使用的RAM超过堆栈的数量，则会导致内存溢出或细微的错误。（实际上，每个线程的堆栈空间只是一连续数组空间）。

因此，当我们决定为每个线程分配多少堆栈时，我们只是估计可能需要多少堆栈，但是具体多少可能不是很清楚。

比如，如果这是一个具有多层嵌套调用的GUI线程，则可能需要数个千字节，但如果它是一个流水灯的小线程，则可能几十字节就足够了。

假设我们有三个线程，它们的堆栈消耗如下：

如上面所述，每个线程的寄存器值都保存在线程的堆栈中。线程的寄存器值集称为线程的“上下文”。如下图所示（线程A为在正在执行的“活动线程”）：

请注意，在正在执行的线程A的上下文没有保存在堆栈中，堆栈指针指向线程A用户数据的顶部，并且当前处理器的寄存器专用于线程A。

当内核决定将控制权切换到线程B时，它将执行以下操作：

• 将所有寄存器值保存到堆栈中（保存到线程A堆栈的顶部）；

• 将堆栈指针切换到线程B的堆栈顶部；

• 从堆栈（从线程B的堆栈顶部）恢复所有寄存器值；

此时，你会看到：

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3

中断（ISR）抢占

上面在执行过程中，或进行上下文切换时，还可能会涉及到一个非常重要的内容：中断。

MCU通常具有外设：TIM、UART、 SPI、 CAN等，它们随时都能发生重要事件以触发中断。

中断条件是当当前正在执行的线程暂停时，处理器在一段时间内执行其他操作（Handles Interrupt），然后返回。中断可能随时触发，我们应该做好处理的准备。

中断处理程序称为ISR（中断服务程序）：

中断可能具有不同的优先级，例如，如果触发了一些低优先级的中断，则当前正在执行的线程将暂停，并且ISR会获得控制权。然后，如果触发了某个高优先级中断，则当前正在执行的ISR将再次暂停，并为该高优先级中断运行一个新的ISR。

这样一来，完成后，控制权将返回到第一个ISR，并且在完成时，也会恢复被中断的线程。

重要的关键代码：

在线程活跃过程中，如果有重要的事情“关键的代码”，在这过程中如果中断发生，很容易导致意想不到的结果。

这部分关键的代码，我们需要要保护起来，通常我们的做法就是：在之前“关键代码”之前禁用全局中断，执行完之后，开始全局中断。

有点需要注意：

关闭全局中断，此时就不会相应中断，所以，“关键代码”不能太长。

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3

中断堆栈

在上面说到一点，高优先级中断抢占低优先中断，就会出现一个问题：低优先级的代码需要和线程一样，用于保存数据的堆栈。

一般有两种方法：

• 使用被中断的线程堆栈；

• 为中断使用单独的堆栈空间；

1.使用被中断的线程堆栈

如果使用被中断的线程堆栈，就类似如下图：

这种情况存在你一个严重的问题，你知道是什么吗？

频繁中断，或者中断较多，线程自身的堆栈空间就会很快被使用完。

每个线程的堆栈都应该包含以下内容：

• 线程自己的数据；

• 线程的上下文；

• 用于执行最坏情况的ISR的数据。

因此，我们就需要换一种方法，为为所有ISR中断开辟单独的堆栈空间。

2.为中断使用单独的堆栈空间

为中断使用单独的堆栈空间大致如上图所示。

好了，本文讲述了上面几种关于抢占，以及相关的内容，希望对大家有帮助。

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