RT-Thread内核-RT-Thread SMP 介绍与移植

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原文 https://blog.csdn.net/kingpower2018/article/details/134365819

 

RT-Thread内核-RT-Thread SMP 介绍与移植①

• RT-Thread内核-RT-Thread SMP 介绍与移植
• • RT-Thread SMP 介绍与移植
  • • 多核启动
    • • CPU0 启动流程
      • 次级 CPU 启动流程
    • 多核调度
    • • 任务特性
      • 调度策略
    • SMP 内核接口
    • • OS Tick
      • 自旋锁 spinlock
      • 任务绑定
    • 移植说明
    • • 编译环境准备
      • 创建 BSP 目录及文件模版
      • 配置 SMP 核心数量
      • 配置 MMU 映射的地址范围
      • 设置内核加载地址
      • 实现次级 CPU 的启动代码

 

RT-Thread内核-RT-Thread SMP 介绍与移植

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 v4.0.0 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。该文档主要对 SMP 进行介绍，以及讲解如何移植 RT-Thread SMP 。

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（以下简称 CPU0 ）跳转到 RT-Thread 的初始化入口处，而其他的处理器（以下简称次级 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：

值得注意的是，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，主要流程如下图所示：

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_SMP ，CPU0 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，主要步骤包括设置当前 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。
全志 T3 芯片采用 GIC 中断控制器，系统通过 Generic Timer 定时器提供 tick 中断计数，函数 secondary_cpu_c_start() 代码如下：

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() 。后者同样需要移植系统的开发者提供，实例代码如下：

多核调度

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态任务表中；
• 挂起态：任务因为条件不满足（等待超时或者数据到来等），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 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 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，以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。

RT-Thread 提供如下 IPI 接口：

void rt_hw_ipi_send(int ipi_vector, unsigned int cpu_mask)

 

• 1

该函数用来向 CPU 位图中表示的 CPU 集合发送指定编号的 IPI 信号。

void rt_hw_ipi_handler_install(int ipi_vector, rt_isr_handler_t ipi_isr_handler)

 

• 1

该函数为当前 CPU 设置指定编号 IPI 信号的处理函数。

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。

RT-Thread 提供自旋锁接口：

1、如下函数初始化已分配的 spinlock 变量:

void rt_spin_lock_init(struct rt_spinlock *lock)

 

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2、如下函数获取 spinlock，忙等待直到获取成功：

void rt_spin_lock(struct rt_spinlock *lock)

 

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3、如下函数释放 spinlock ：

void rt_spin_unlock(struct rt_spinlock *lock)

 

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4、如下函数禁止当前 CPU 中断后获取 spinlock，忙等待直到获取成功，返回之前的中断状态：

rt_base_t rt_spin_lock_irqsave(struct rt_spinlock *lock)

 

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5、如下函数释放 spinlock ，并恢复之前的中断状态：

void rt_spin_unlock_irqrestore(struct rt_spinlock *lock, rt_base_t level)

 

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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-Thread 提供的任务绑定接口如下：

rt_err_t rt_thread_control (rt_thread_t thread, int cmd, void *arg)

 

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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。

移植说明

为了将 RT-Thread 系统移植到其它 SMP 平台上，需要创建相应的 BSP ，编写底层代码。这里我们以全志 T3 芯片（四核 Cortex-A7 ）为模版，说明 RT-Thread 在多核 Cortex-A 平台上的移植步骤。内核开发者可参考这些步骤将 RT-Thread 移植到其它多核 Cortex-A 芯片上运行。

编译环境准备

RT-Thread 使用 scons 工具进行编译和配置，以操作系统 Ubuntu 18.04 为例说明编译环境，需要安装以下软件包：

• lib32ncurses5
• lib32z1
• python
• scons
• python-pip
• make
• zlib1g-dev
• binutils-arm-none-eabi

创建 BSP 目录及文件模版

当向其它 SMP 平台移植时，可使用全志 T3 BSP 做为模版，复制文件夹 bsp/allwinner_t3/ ，名字更改为目标平台，例如 bsp/some_cortexa_smp ，保留以下文件：

• Kconfig：BSP 配置说明文件，用来组织 BSP 的配置选项
• link.lds：生成 BSP 可执行文件所使用的链接文件
• .config：BSP 配置结果文件，提供默认的配置选项
• SConscript：scons 配置文件，和子目录的 SConscript 文件一起记录待编译的源文件
• SConstruct：scons 配置文件，用来设置 BSP 编译环境
• applications/main.c：提供用户代码入口 main 函数
• drivers/：
• board.c 和 board.h：包含 PCB 板上的初始化代码
• drv_clock.c 和 drv_clock.h：包含时钟树设置代码
• platsmp.c 和 platsmp.h：包含 SMP 启动代码

配置 SMP 核心数量

进入 BSP 目录 bsp/allwinner_t3 运行命令 scons --menuconfig 配置 BSP 的核心数量，修改配置选项 RT_CPUS_NR ，将该值修改为实际的 SMP 核心数量，如下图所示：

配置 MMU 映射的地址范围

RT-Thead 采用直接映射的方式，内核和所有任务共享同一个地址空间，物理内存地址和设备寄存器地址空间采用不同的映射属性，但是映射的虚拟地址和物理地址相一致。

系统在初始化过程中，参照数组 platform_mem_desc[] 的设置建立系统唯一的 MMU 映射表。数组中每一项对应一个地址映射范围的描述，其中的元素依次为起始物理地址、结束物理地址、起始虚拟地址和映射属性。

该 MMU 映射配置数组定义在文件 drivers/board.c 中。以全志 T3 为例，其 DDR 内存起始地址为 0x40000000 ，结束地址为 0xC0000000；而设备地址范围从 0x01000000 到 0x40000000 ，因此数组 platform_mem_desc[] 的内容如下：

设置内核加载地址

编译生成的内核镜像通常加载到内存的起始地址执行，内核链接时所使用的起始地址要和该值保持一致，该地址由链接脚本 link.lds 决定。以全志 T3 为例，DDR 内存起始地址为 0x40000000 ，因此内核镜像的加载地址也设置为 0x40000000 ，内容如下：

移植时，将该值修改为内核镜像的实际加载地址，通常为物理内存的起始地址。

实现次级 CPU 的启动代码

按照上面次级 CPU 启动过程的描述，在将 RT-Thread 移植到其它 ARMv7-A SMP 芯片的过程中，内核开发者需要提供以下三个函数：

1. rt_hw_secondary_cpu_up(), 该函数设置次级 CPU 的启动入口地址为 secondary_cpu_start ，加电启动其它 CPU 核心；

2. secondary_cpu_c_start(), 该函数用来初始化单个次级 CPU ，主要包括初始化中断控制器接口，设置中断向量表，以及当前 CPU 的 tick 中断。最后获取内核自旋锁 _cpus_lock ，并调用函数 rt_system_scheduler_start() 开启当前 CPU 的任务调度器；

3. rt_hw_secondary_cpu_idle_exec(), 该函数被次级 CPU 的 idle 线程循环调用，可用来做功耗相关的处理。

上述三个函数定义在文件 drivers/platsmp.c 中。其中，只有函数 rt_hw_secondary_cpu_up() 的功能实现与芯片密切相关，需要移植者根据芯片特性提供。如果芯片使用的不是 GIC 中断控制器和 Generic Timer 定时器，那么同样需要重新实现函数 secondary_cpu_c_start() 。

需要注意的是，在全志 T3 平台上，Generic Timer 的工作频率为 24 MHZ ，tick 的频率为 1000 ，所以中断间隔寄存器 CNTP_TVAL 设置为 24M / 1000 = 24000 。在 tick 的中断处理代码中需要重新设置间隔寄存器，代码如下：

该值在每次 tick 中断被触发时重新设置，中断处理代码见上面 OS tick 的说明。如果目标平台的工作频率与上述值不一致，修改函数 gt_set_interval() 的参数进行设置。

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标签：RT,rt,Thread,SMP,任务,CPU
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