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RT-Thread自4.0.0版本开…RT-Thread SMP介绍与移植
SMP对称多处理Symmetrical Multi-Processing简称SMP是指在一个计算机上汇集了一组处理器多CPU各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。
RT-Thread自4.0.0版本开始支持SMP在对称多核上可以通过使能RT_USING_SMP来开启。
多核启动概述
系统上电后每个CPU都会在ROM中的代码控制下独自运行但是只有主处理器简称CPU0跳转到RT-Thread的初始化入口处而其他的处理器简称次级CPU则会暂停在某个状态下等待CPU0将它们唤醒。
CPU0完成RT-Thread的全局初始化过程包括外设初始化中断控制器的中断分发部分初始化全局变量的初始化全局内核对象的创建等等。它还完成CPU0自身硬件初始化包括MMU、中断控制器的CPU接口部分以及中断向量表等。
最终CPU0在执行main线程之前唤醒其它的次级CPU引导它们执行次级CPU的初始化代码这段代码会让各个次级CPU去完成自身相关的硬件初始化并开启任务调度。
此后系统进入正常运行阶段系统启动阶段各个CPU的动作如下图所示 每个次级CPU自身硬件部分的初始化不能由CPU0完成因为其自身硬件不能由其它CPU访问。
CPU0启动流程
在SMP平台上启动核心CPU0的启动流程和单核CPU上的启动过程相同。 由于硬件平台和编译器的不同系统上电后执行的初始化代码和启动流程并不相同但是系统最终统一调用入口函数rtthread_startup()来启动RT-Thread。
该函数设置硬件平台、初始化操作系统各组件、创建用户main线程并最终开启当前CPU的任务调度机制开始正常工作。
当开启了CPU0的任务调度器之后CPU0上通常存在两个线程main线程和idle线程用户可以通过修改配置选项或者通过RT-Thread提供的接口创建新的线程调度器依据优先级和线程状态从中选择就绪线程执行。
次级CPU启动流程
如果定义了配置选项RT_USING_SMPCPU0的main线程在运行过程中会执行函数rt_hw_secondary_cpu_up()以启动其它CPU核心。
该函数由移植内核的开发人员提供完成以下两个操作
设置次级CPU的启动入口地址。加电启动次级CPU。
在ARMv7-A中次级CPU的启动入口地址固定设置为secondary_cpu_start该标号定义在文件libcpu/arm/cortex-a/start_gcc.S中主要步骤包括当前CPU的内核栈建立MMU内存映射表然后跳转到函数secondary_cpu_c_start() 执行。
函数secondary_cpu_c_start()是所有次级CPU的初始化函数它同样与硬件平台密切相关由移植系统的开发者提供需要完成以下步骤
初始化当前CPU的中断控制器设置中断向量表。设置定时器为当前CPU产生tick中断。获取内核自旋锁_cpus_lock以保护全局任务表调用函数rt_system_scheduler_start()开启当前CPU的任务调度器。
每个次级CPU启动之后从全局任务表和当前CPU的局部任务表中选取优先级最高的任务执行在优先级相同的情况下优先选择当前CPU的局部任务表中的任务执行。
在不存在其它任务的情况下每个CPU调度自己的idle任务执行。 其中CPU0的idle任务循环执行函数rt_thread_idle_execute()而次级CPU的idle任务循环执行函数rt_hw_secondary_cpu_idle_exec()。
任务特性
RT-Thread中的任务分为以下状态
运行态任务正在某个CPU上执行。就绪态任务随时可以被执行但尚未分配到CPU因此等待在某个就绪任务表中。挂起态任务因为条件不满足等待超时或数据到来而不能够被执行。关闭态任务已经被删除正在等待被回收。
在进入正常运行阶段后每个CPU都独自地运行中断处理、调度器以及任务的代码。 RT-Thread在多核系统上运行时存在以下特性
同一时刻一个任务线程只会运行在一个CPU上。每个CPU互斥地访问全局调度器数据以确定将要在当前CPU上运行的任务。支持将任务绑定在某一个CPU上运行。
调度策略
为了实现上述目标RT-Thread调度器实现了两种就绪任务队列
全局就绪任务表rt_thread_ready_table[]包含没有绑定CPU的就绪任务。CPU局部就绪任务表ready_table[]每个CPU对应一个包含绑定到对应CPU的就绪任务。典型的CPU绑定任务是每个CPU都有自己的idle任务。
当CPU需要切换任务执行时任务调度器查找系统中优先级最高的就绪任务执行即全局就绪任务表和当前CPU的局部就绪任务表中优先级最高的任务。在优先级相同的情况下优先选取局部任务表中的任务。
相对应的是如果一个任务由其它状态变为就绪态则进行如下处理
如果它不是CPU绑定任务则把它挂入全局就绪表并向其它的所有CPU发送IPI中断通知它们检查是否需要切换任务因为其它CPU的当前任务的优先级可能低于此就绪态任务因而会发生优先级抢占。如果它是一个CPU绑定任务检查它是否比对应CPU的当前任务优先级高如果是则发生优先级抢占否则把它挂入对应的CPU的局部就绪任务表。整个过程不通知其它CPU。
SMP内核接口
为支持SMP平台RT-Thread提供以下内核接口方便内核开发人员使用多核的功能。
处理器间中断IPI
当单个CPU上运行的任务改变了系统状态或者触发了某个事件需要通过处理器间中断Inter-Processor Interrupt通知其它CPU其它CPU在收到该信号后调用注册的相应例程进行处理。
OS Tick
在SMP系统中每个CPU维护自己独立的tick值用作任务运行计时以及时间片统计。
除此之外CPU0还通过tick计数来更新系统时间并提供系统定时器的功能次级CPU不需要提供这些功能。
在初始化次级CPU的过程中每个CPU需要使能各自的tick定时器并注册相应的tick中断处理函数。使能tick定时器的操作与具体的硬件平台相关需要移植内核的开发者提供 而tick中断处理函数主要完成两个动作
设置tick定时器的状态。增加当前CPU的tick计数。
自旋锁spinlock
在SMP系统中通过关中断的方式不能阻止多个CPU对共享资源的并发访问需要通过自旋锁机制进行保护。 和互斥锁类似在任何时刻自旋锁最多只能有一个保持者也就说在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。 不同的是对于互斥锁如果资源已经被占用资源申请者只能进入睡眠状态。
而自旋锁不会引起调用者睡眠而是循环查询直到该自旋锁的保持者已经释放了锁。
初始化已分配的spinlock变量
void rt_spin_lock_init(struct rt_spinlock *lock)获取spinlock忙等待直到获取成功
void rt_spin_lock(struct rt_spinlock *lock)释放spinlock
void rt_spin_unlock(struct rt_spinlock *lock)任务绑定
通常系统中的就绪任务位于全局就绪任务表中每个任务在哪个CPU上调度运行是随机的。
通过将就绪任务放入到某个CPU局部就绪任务列表中RT-Thread允许 将任务与CPU绑定即该任务只能够在指定的CPU上。
rt_err_t rt_thread_control(rt_thread_t thread, int cmd, void *arg)当参数cmd的值为RT_THREAD_CTRL_BIND_CPU时函数将线程thread绑定到参数arg指定的CPU上。
