Zephyr入門教程 2 線程

来源:https://www.cnblogs.com/testing-/archive/2023/07/10/17518905.html
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**1.安裝Wifi配置庫(nanoFramework.System.Device.Wifi)** ![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2907004/202307/2907004-20230710193559740-846116472.jpg) > 1.1 n ...


RTOS的必要性

當你開始增加你的嵌入式應用的功能時，在單一的主迴圈和一些中斷常式中做所有的事情變得越來越難。通常情況下，下一級的複雜性是某種狀態機，你的電子設備的輸出會根據這個（內部）狀態而改變。如果你需要能夠同時操作多個複雜的輸入和輸出呢？一個很好的例子是TCP/IP連接，通過這個連接，你將接收某種數據，然後用來操作機械臂、控制電動機、發送信號......很快就會發現，需要新的抽象層次，以避免淹沒在實現這種東西所需的複雜性中。這就是實時操作系統發揮作用的地方。

Zephyr與其他實時操作系統不同？

  • Zephyr是由Linux基金會支持的。
  • 通過學習Zephyr，你將自動獲得對Linux內核的體驗。兩者在實現方式上表現出一些重疊，例如： Kconfig和設備樹是Zephyr從Linux中借用的概念。
  • Zephyr很靈活。
  • Zephyr支持各種不同的開發板/SoCs。

更多參考見官網： https://docs.zephyrproject.org/latest/introduction/index.html

實時操作系統是如何工作的？

內核負責為每個特定的任務調度CPU時間，使它們看起來是同時進行的。

每個線程（或任務）在執行時都會使用寄存器和記憶體。這些處理器寄存器和堆棧（記憶體）的全部內容都是該特定線程的上下文。一旦RTOS決定切換線程並運行其他東西，它將需要首先將上下文存儲起來，然後載入接下來運行的線程的上下文。這個過程被稱為上下文切換。

除了線程之外，你還會使用諸如隊列、互斥和信號等原語來進行線程間通信。然後，每個RTOS都為不同的協議提供不同程度的支持，如TCP/IP、藍牙、LoRaWan......這使你的生活更容易，因為現在你不需要深入研究這些協議。你會得到一系列的API調用，這能提高開發速度。

什麼是線程？

線程是獨立的實例，負責執行一些任務。

一些關鍵的概念：

  • 堆棧區(Stack area)：線程堆棧的記憶體區域。其大小可以根據線程處理的需要來調整。
/* size of stack area used by each thread */
#define STACKSIZE 1024
  • 線程式控制制塊(Thread control block)：存儲線程元數據，是k_thread類型的實例。
K_THREAD_STACK_DEFINE(threadA_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadA_data;
  • 入口點函數(Entry point function)：線程啟動時被調用。最多有3個參數值可以傳遞給這個函數。
void threadA(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

ARG_UNUSED來表示這3個參數在我們的線程函數中沒有使用。

  • 調度策略(Scheduling policy)：指示內核的調度器如何分配CPU時間給線程。

  • 執行模式Execution mode：可以是監督者(supervisor)模式或用戶(user)模式。預設情況下，線程在監督者模式下運行，允許訪問特權CPU指令、整個記憶體地址空間和外圍設備。用戶模式的線程許可權要少一些。

Zephyr如何選擇要運行的線程？

"Thread is ready"(就緒) = 有資格被選為下一個運行線程。

以下因素可以使線程不就緒：

  • 線程還沒有被啟動
  • 等待內核對象完成一個操作（例如，線程正在占用不可用的信號（semaphore））。
  • 等待超時的發生
  • 被暫停
  • 終止

如何在Zephyr中定義線程？

通過定義它的堆棧區域和線程式控制制塊，然後調用k_thread_create()來生成的。

棧區必須使用K_THREAD_STACK_DEFINE或K_KERNEL_STACK_DEFINE來定義，以確保它在記憶體中被正確設置。

線程發起函數返回其線程ID，可以用來引用該線程。

#define MY_STACK_SIZE 500
#define MY_PRIORITY 5

extern void my_entry_point(void *, void *, void *);

K_THREAD_STACK_DEFINE(my_stack_area, MY_STACK_SIZE);
struct k_thread my_thread_data;

k_tid_t my_tid = k_thread_create(&my_thread_data, my_stack_area,
                                 K_THREAD_STACK_SIZEOF(my_stack_area),
                                 my_entry_point,
                                 NULL, NULL, NULL,
                                 MY_PRIORITY, 0, K_NO_WAIT);

為了定義線程，你需要初始化參數：

k_tid_t k_thread_create(struct k_thread *new_thread, k_thread_stack_t *stack, size_t stack_size, k_thread_entry_t entry, void *p1, void *p2, void *p3, int prio, uint32_t options, k_timeout_t delay)

參數：

  • new_thread - 指向未初始化的k_thread結構的指針
  • stack - 指向堆棧空間的指針。
  • stack_size - 堆棧大小，位元組數。
  • entry - 線程入口函數。
  • p1 - 第1個入口參數。
  • p2 - 第2個入口參數。
  • p3 - 第3個入口參數。
  • prio - 線程優先順序。
  • options - 線程選項。
  • delay - 調度延遲，或K_NO_WAIT（無延遲）。

返回：

  • 新線程的ID。

另外，可以通過調用K_THREAD_DEFINE在編譯時聲明線程。請註意，該巨集自動定義了堆棧區、控制塊和線程ID等變數。

下麵的代碼與上面的代碼段有相同的效果。

#define MY_STACK_SIZE 500
#define MY_PRIORITY 5

extern void my_entry_point(void *, void *, void *);

K_THREAD_DEFINE(my_tid, MY_STACK_SIZE,
                my_entry_point, NULL, NULL, NULL,
                MY_PRIORITY, 0, 0);

參考資料

線程命令

  • k_thread_start() 啟動

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>

/* size of stack area used by each thread */
#define STACKSIZE 1024

/* scheduling priority used by each thread */
#define PRIORITY 7

/* delay between greetings (in ms) */
#define SLEEPTIME 200000


K_THREAD_STACK_DEFINE(threadA_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadA_data;

/* threadA is a static thread that is spawned automatically */

void threadA(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	printk("thread_a: thread started \n");

	while (1)
	{
		printk("thread_a: thread loop \n");
		k_msleep(SLEEPTIME);
	}

}

void main(void)
{
	k_thread_create(&threadA_data, threadA_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadA_stack_area),
			threadA, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY, 0, K_FOREVER);
	k_thread_name_set(&threadA_data, "thread_a");

	k_thread_start(&threadA_data);
}

執行：

$ ninja run   
[0/1] To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'[QEMU] CPU: qemu32,+nx,+pae
SeaBIOS (version zephyr-v1.0.0-0-g31d4e0e-dirty-20200714_234759-fv-az50-zephyr)
Booting from ROM..
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v3.4.0-554-g33b116407b03 ***
thread_a: thread started 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop
  • k_thread_abort() 終止：線程被從所有的內核隊列中移除。

#include <zephyr/zephyr.h>

/* size of stack area used by each thread */
#define STACKSIZE 1024

/* scheduling priority used by each thread */
#define PRIORITY 7

/* delay between greetings (in ms) */
#define SLEEPTIME 500


K_THREAD_STACK_DEFINE(threadA_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadA_data;

/* threadA is a static thread that is spawned automatically */

void threadA(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	int i = 10;	// Amount of times to execute while loop

	printk("thread_a: thread started \n");

	while (1)
	{
		printk("thread_a: thread loop \n");
		k_msleep(SLEEPTIME);
		i -= 1;
		if (i == 0)
		{
			printk("thread_a: thread abort \n");
			k_thread_abort(&threadA_data);
		}
	}

}

void main(void)
{
	k_thread_create(&threadA_data, threadA_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadA_stack_area),
			threadA, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY, 0, K_FOREVER);
	k_thread_name_set(&threadA_data, "thread_a");

	k_thread_start(&threadA_data);
}

執行：

$ ninja run   [0/1] To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'[QEMU] CPU: qemu32,+nx,+pae
SeaBIOS (version zephyr-v1.0.0-0-g31d4e0e-dirty-20200714_234759-fv-az50-zephyr)
Booting from ROM..
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v3.4.0-554-g33b116407b03 ***
thread_a: thread started 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread abort 
qemu-system-i386: terminating on signal 2
ninja: build stopped: interrupted by user.
  • k_sleep()

線程可以阻止自己在指定的時間內執行。一旦達到時間限制就會自動變得可執行。

#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/sys/printk.h>

/* size of stack area used by each thread */
#define STACKSIZE 1024

/* scheduling priority used by each thread */
#define PRIORITY 7

/* delay between greetings (in ms) */
#define SLEEPTIME 500000


K_THREAD_STACK_DEFINE(threadA_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadA_data;

/* threadA is a static thread that is spawned automatically */

void threadA(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	int i = 2;	// Amount of times to execute while loop
	k_timeout_t sleep_time = K_MSEC(5000); // length of sleep


	printk("thread_a: thread started \n");

	while (1)
	{
		printk("thread_a: thread loop \n");
		k_msleep(SLEEPTIME);
		i -= 1;
		if (i == 0)
		{
			printk("thread_a: sleeping for 5000 ms \n");
			k_sleep(sleep_time);
			i = 2;
		}
	}

}

void main(void)
{
	k_thread_create(&threadA_data, threadA_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadA_stack_area),
			threadA, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY, 0, K_FOREVER);
	k_thread_name_set(&threadA_data, "thread_a");

	k_thread_start(&threadA_data);
}

執行：

[0/1] To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'[QEMU] CPU: qemu32,+nx,+pae
^[[0mSeaBIOS (version zephyr-v1.0.0-0-g31d4e0e-dirty-20200714_234759-fv-az50-zephyr)
Booting from ROM..
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v3.4.0-554-g33b116407b03 ***
thread_a: thread started 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: sleeping for 5000 ms 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: sleeping for 5000 ms 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: sleeping for 5000 ms 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: sleeping for 5000 ms 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: sleeping for 5000 ms
  • k_thread_suspend()

掛起，需要使用k_thread_resume()來重新啟動。

#include <zephyr/zephyr.h>

/* size of stack area used by each thread */
#define STACKSIZE 1024

/* scheduling priority used by each thread */
#define PRIORITY 7

/* delay between greetings (in ms) */
#define SLEEPTIME 500


K_THREAD_STACK_DEFINE(threadA_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadA_data;

K_THREAD_STACK_DEFINE(threadB_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadB_data;

void threadA(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	int i = 3; //amount of times to loop before suspend

	printk("thread_a: thread started \n");

	while (1)
	{
		printk("thread_a: thread loop \n");
		i -= 1;
		if (i == 0)
		{
			printk("thread_a: thread suspended \n");
			k_thread_suspend(&threadA_data);
			i = 3;
		}
		
	}

}

void threadB(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	printk("thread_b: thread started \n");

	while (1)
	{
		k_msleep(SLEEPTIME);
		printk("thread_b: resuming thread_a \n");
		k_thread_resume(&threadA_data);
	}

}

void main(void)
{
	k_thread_create(&threadA_data, threadA_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadA_stack_area),
			threadA, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY, 0, K_FOREVER);
	k_thread_name_set(&threadA_data, "thread_a");

	k_thread_create(&threadB_data, threadB_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadB_stack_area),
			threadB, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY+1, 0, K_FOREVER);				// priority of thread_b is lower than thread_a
	k_thread_name_set(&threadB_data, "thread_b");

	k_thread_start(&threadA_data);
	k_thread_start(&threadB_data);
}

執行：

[0/1] To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'[QEMU] CPU: qemu32,+nx,+pae
^[[0mSeaBIOS (version zephyr-v1.0.0-0-g31d4e0e-dirty-20200714_234759-fv-az50-zephyr)
Booting from ROM..
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v3.4.0-554-g33b116407b03 ***
thread_a: thread started 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread suspended 
thread_b: thread started 
thread_b: resuming thread_a 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread suspended 
thread_b: resuming thread_a 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop
  • k_thread_join() 睡眠，直到另一線程退出。

比如說：thread_b負責設置硬體介面，線程_a負責處理這個介面的數據。只要線程_b沒有退出，線程_a就不能啟動，所以在這種情況下我們會使用k_thread_join(thread_b, timeout)。

#include <zephyr/zephyr.h>

/* size of stack area used by each thread */
#define STACKSIZE 1024

/* scheduling priority used by each thread */
#define PRIORITY 7

/* delay between greetings (in ms) */
#define SLEEPTIME 500


K_THREAD_STACK_DEFINE(threadA_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadA_data;

K_THREAD_STACK_DEFINE(threadB_stack_area, STACKSIZE);
static struct k_thread threadB_data;

void threadA(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	printk("thread_a: thread started \n");

	printk("thread_a: waiting for thread_b to complete \n");
	k_thread_join(&threadB_data, K_FOREVER);	// wait forever until thread_b returns

	while (1)
	{
		printk("thread_a: thread loop \n");
		k_msleep(SLEEPTIME);
		
	}

}

void threadB(void *dummy1, void *dummy2, void *dummy3)
{
	ARG_UNUSED(dummy1);
	ARG_UNUSED(dummy2);
	ARG_UNUSED(dummy3);

	printk("thread_b: thread started \n");

	k_msleep(SLEEPTIME);

	printk("thread_b: returning to thread_a \n");


}

void main(void)
{
	k_thread_create(&threadA_data, threadA_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadA_stack_area),
			threadA, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY, 0, K_FOREVER);
	k_thread_name_set(&threadA_data, "thread_a");

	k_thread_create(&threadB_data, threadB_stack_area,
			K_THREAD_STACK_SIZEOF(threadB_stack_area),
			threadB, NULL, NULL, NULL,
			PRIORITY+1, 0, K_FOREVER);				// priority of thread_b is lower than thread_a
	k_thread_name_set(&threadB_data, "thread_b");

	k_thread_start(&threadA_data);
	k_thread_start(&threadB_data);
}

執行：

[0/1] To exit from QEMU enter: 'CTRL+a, x'[QEMU] CPU: qemu32,+nx,+pae
SeaBIOS (version zephyr-v1.0.0-0-g31d4e0e-dirty-20200714_234759-fv-az50-zephyr)
Booting from ROM..
*** Booting Zephyr OS build zephyr-v3.4.0-554-g33b116407b03 ***
thread_a: thread started 
thread_a: waiting for thread_b to complete 
thread_b: thread started 
thread_b: returning to thread_a 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop 
thread_a: thread loop
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