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版本 264f6015cd59a7708202cf17906dfb9c60af39df

ChibiOS/RT

組員

  • 莊承翰 / vchchuang
  • 詹尚倫 / game
  • 陳祐任 / bruce30262
  • 陳易駿 / alex122380
  • 郭耀琮 / rbugoo131

共筆: hackpad<https://stm32f429.hackpad.com/ChibiOSRT--tRTURqqJOhr>_

作業系統架構

ChibiOS/RT 是一個相當模組化的設計，部由許多主要的獨立組件構成。而每一個組件又可能細分成許多子系統

.. image:: /ch結構.png

  • kernel : OS kernel中與平台無關的部份

  • port layer ：OS kernel中與結構/編譯器 相關的部份

  • HAL(hardware abstraction layer) : 包含許多抽象的device drivers，提供普遍的I/O API給不同平台的應用程式

  • platform layer : 包含許多device drivers的實作

  • various : 提供各種額外但不包含在特定組件的工具的函式庫

  • HAL 與 platform關係如下 .. image:: /ch_HAL_plat.png

中斷(Interrupt) ^^^^^^^^^^^^^^^ * 先備知識 + 可遮罩式中斷 ( Maskable Interrupt ) :
- 一種硬體中斷 - 可以透過軟體控制去設定中斷遮罩暫存器 ( Interrupt Mask Register ) 內的位元遮罩值 ( bit-mask ) 來讓CPU決定要不要回應這個中斷要求。 + 不可遮罩式中斷 ( Non-Maskable Interrupt, NMI ) :
- 一種硬體中斷 - 與可遮罩式中斷不同，它無法用軟體去控制。CPU一定要回應這個中斷要求，不可以忽略。 + 中斷遮罩暫存器 ( Interrupt Mask Registers ) : 在 ARM Cortex-M3中，可以透過設定中斷遮罩暫存器，來控制系統的中斷。共有三種: - PRIMASK : 一個只有一個 bit 的暫存器。設為1時，系統將只會處理 NMI 和 hard fault exception，其他可遮罩式中斷將被全部忽略。設為0時，則可以處理所有中斷。 - FAULTMASK: 一個只有一個 bit 的暫存器。設為1時，系統將只會處理 NMI，其他像是 hard fault exception 或是可遮罩式中斷都將被全部忽略。設為0時，則可以處理 hard fault exception。 - BASEPRI: 8個 bit 的暫存器，用來儲存優先度等級( priority level )。當這個暫存器被設為一個非0值時，系統將會忽略優先度比這個值還要大(代表優先度等級較低) 的中斷。

  • Chibi OS/RT的中斷類別
    • 正常中斷 ( Regular Interrupts ):
      • 可遮罩式的中斷
      • 在 GCC Ports / ARM Cortex-Mx / ARMv7-M 的移植版本中，優先度等級較低的中斷將被視為正常中斷
      • 無法搶佔部分的 kernel code
      • 在此類的 interrupt handler 裡面可以呼叫 operating system APIs。
    • 快速中斷 ( Fast Interrupts ):
      • 可遮罩式的中斷
      • 在 GCC Ports / ARM Cortex-Mx / ARMv7-M 的移植版本中，優先度等級較高的中斷將被視為快速中斷
      • 可以搶佔 kernel code ，也因此有較短的延遲 ( lantency ) 。
      • 在此類的 interrupt handler 裡面無法呼叫任何一個 operating system API 。
    • 不可遮罩式中斷 ( Non Maskable Interrupts, NMI):
      • 不受OS控制的中斷，擁有最短的延遲 ( lowest latency )

執行緒(Thread)狀態 ^^^^^^^^^^^^^

.. image:: /chThread狀態圖.png

  • Start : 初始的狀態
  • Suspended :
  • Running : 正在執行中的狀態
  • Stop : 停止的狀態
  • Sleeping :
  • Ready : 準備好的狀態

ChbiOS/RT 初始化後會建立兩個 thread + Idle thread : - priority level最低，只有在其他thread 處於sleep狀態時才會執行，通常在執行這個threaad時 系統會進入low power mode 且不會做任何事情 + Main thread : - priority=NORMALPRIO ，此thread在一開始執行main() function，且需要時可以變更自己的priority，通常其他的thread也都是由此建立的

Thread and Structure Reference ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ .. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/struct_threads_list__coll__graph.png

  • 實線方向 ： 資料結構繼承關係
  • 虛線方向 ： 指標指向的資料結構

Ready List ^^^^^^^^^^^^^ ChibiOS/RT 的 ready list以doubly linked list 實作

.. image:: /chReadyList.png

priority 相同的話，採用 round-robin strategy

  • 執行序的priority level
    • zero :
      • value = 0
      • 保留的最低 priority level，所有可能出現的priority level保證大於0
    • IDLEPRIO :
      • value = 1
      • 保留給Idle Thread的特殊priority level
    • LOWPRIO :
      • value = 2
      • user thread 中 priority level 最低
    • NORMALPRIO :
      • value = 64
      • main() thread從這個level開始，通常user thread 的priority level是以此為中心
    • HIGHPRIO :
      • value = 127
      • user thread 中 priority level 最高
    • ABSPRO ：
      • value = 255
      • 保留的最高priority level，高於此priority level的話，就是被interrupt source 所使用的hw level

上下文交換(Context Switch) ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

在chibios當中，是以port_switch()來完成context switch

/os/ports/GCC/ARMCMx/chcore_v7m.c(line:236)

.. code-block:: c

void _port_switch(Thread *ntp, Thread *otp) {

  asm volatile ("push    {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, lr}"   ←儲存舊的thread的狀態
                : : : "memory");
#if CORTEX_USE_FPU
  asm volatile ("vpush   {s16-s31}" : : : "memory");
#endif

  asm volatile ("str     sp, [%1, #12]                          \n\t"   ←切換stack pointer所指的位址
                "ldr     sp, [%0, #12]" : : "r" (ntp), "r" (otp));      ←

#if CORTEX_USE_FPU
  asm volatile ("vpop    {s16-s31}" : : : "memory");
#endif
  asm volatile ("pop     {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, pc}"   ←讀入新的thread的狀態
                : : : "memory");
}

系統狀態(System States) ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^

.. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/dot_inline_dotgraph_1.png

.. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/dot_inline_dotgraph_2.png

.. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/dot_inline_dotgraph_3.png

  • Init
    • ChibiOS/RT 進行OS初始化之前的狀態，進行所謂的物理重置(physical reset)時也會進到這個狀態
    • 呼叫chSysInit()這個函式進行初始化
    • 在這個狀態裡所有可以發出Maskable Interrupt的sources全部失效
    • 初始化完後進到 Normal
  • Normal
    • 初始化完後到達的狀態
    • 在這裡可以執行Thread, 接收並處理任何中斷及呼叫任何system API
  • Suspended
    • 在這個狀態裡，無法接收正常中斷(IRQ)，但是可以接收快速中斷(FIQ)
    • 除了可以呼叫chSysDisable()到達Disable狀態，以及chSysEnable()到達Normal狀態之外，其他所有system API都不能呼叫
  • Disabled
    • 所有可遮罩式中斷資源全部失效，系統僅能處理不可遮罩式中斷(NMI)
    • 除了可以呼叫chSysEnable()到達Normal狀態，以及chSysSuspend()到達Suspended狀態之外，其他所有system API都不能呼叫
  • Sleep
    • 當系統中沒有其他的Thread要跑時，此時系統會執行一個 idle thread<idle thread>_，到達這個狀態
    • 此時系統將處於 low power mode，並等待一個中斷跳出這個狀態
    • 接收到一個IRQ時，將會跑到 SRI 狀態去處理中斷，處理完後會回到 Normal
  • S-Locked
  • I-Locked
  • Serving Regular Interrupt ( SRI )
  • Serving Fast Interrupt ( SFI )
  • Serving Non-Maskable Interrupt ( SNMI )
  • Halted

硬體驅動原理

  • 以 DMA2D 為例

  • 在對硬體的driver作設計時會用到很多_IO的type

  • 在ChibiOS-RT-Community/os/ports/common/ARMCMx/CMSIS/include/core_cm4.h裡找到相關定義 ::

    #define __IO volatile /!< Defines ‘read / write’ permissions/

效能表現

  • 參考 ChibiOS/RT 的 test/testbmk.c

參考資料

  • Building eye-catching GUIs for your embedded MCU designs<http://www.embedded.com/design/mcus-processors-and-socs/4426244/1/Building-eye-catching-GUIs-for-your-embedded-MCU-designs>_
  • ChibiOS/RT - SourceForge<http://chibios.sourceforge.net/html/index.html>_
  • Overview of the Cortex-M3, Chapter 2<http://www.arm.com/files/word/Yiu_Ch2.pdf>_