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本文講解 Zephyr OS 用於描述線程相關信息的結構體，內核中幾乎其它所有服務都或多或少地使用了該結構體，所以在正式進入內核相關部分的學習之前，我們先學習該結構體。此外，還介紹了一下如何新建一個線程。

線程結構體的定義

在 Zephyr OS 中，用結構體 struct tcs 描述一個線程的控制信息：

struct tcs {
    struct tcs *link;
    uint32_t flags;
    uint32_t basepri;
    int prio;
#ifdef CONFIG_THREAD_CUSTOM_DATA
    void *custom_data;
#endif
    struct coop coopReg;
    struct preempt preempReg;
#if defined(CONFIG_THREAD_MONITOR)
    struct __thread_entry *entry;
    struct tcs *next_thread;
#endif
#ifdef CONFIG_NANO_TIMEOUTS
    struct _nano_timeout nano_timeout;
#endif
#ifdef CONFIG_ERRNO
    int errno_var;
#endif
#ifdef CONFIG_MICROKERNEL
    void *uk_task_ptr;
#endif
};

注意：由於該結構體涉及到芯片的寄存器，所以不同架構的芯片的線程控制結構體是有區別的。本文討論cortex-m3 的線程控制結構。另外，由於與具體芯片相關，所以將 Zephyr OS 移植到其它架構的芯片時，需要考慮移植線程相關的代碼。

link：多個線程可以構成一個線程鏈表，link 就指向該鏈表中的下一個線程。例如，處於就緒狀態的線程會形成一個就緒隊列，等待線程會形成一個等待隊列，具體信息請參考《Zephyr OS nano 內核篇： fiber》和《Zephyr OS nano 內核篇：等待隊列 wait_q》
flags：用來表示該線程具有哪些 flag，這些 flag 是系統預定義的位掩碼。

所謂的位掩碼，是指每個每個掩碼佔 1 位。
“`

define FIBER 0x000 // BIT(0) 爲 0 表示該線程是 fiber

define TASK 0x001 // BIT(0) 爲 1 表示該線程是 task

define INT_ACTIVE 0x002 // BIT(1) 爲 1 表示執行上下文是中斷 handler

define EXC_ACTIVE 0x004 // BIT(2) 爲 1 表示執行上下文是異常

define USE_FP 0x010 // BIT(4) 爲 1 表示該線程使用浮點單元

define PREEMPTIBLE 0x020 // BIT(5) 爲 1 表示該線程可被搶佔。

       /*
       * NOTE: the value must be < 0x100 to be able to \
       *       use a small thumb instr with immediate  \
       *       when loading PREEMPTIBLE in a GPR       \
       */

define ESSENTIAL 0x200 // BIT(9) 爲 1 表示該線程不能被終止

define NO_METRICS 0x400 // BIT(10)爲 1 表示_Swap() not to update task metrics

“`

basepri：用於上下文切換時的現場保存與恢復。具體信息請參考《Zephyr OS nano 內核篇：上下文切換》。
prio：指定本線程的優先級。就緒鏈表中的線程就是按照優先級的順序排列的。
custom_data：線程自定義數據。
coopReg：對於 Cortex-M 系列，該變量沒有使用。

preempReg：也是用於上下文切換時的現場保存與恢復。

struct preempt {
uint32_t v1;  /* r4 */
uint32_t v2;  /* r5 */
uint32_t v3;  /* r6 */
uint32_t v4;  /* r7 */
uint32_t v5;  /* r8 */
uint32_t v6;  /* r9 */
uint32_t v7;  /* r10 */
uint32_t v8;  /* r11 */
uint32_t psp; /* r13 */
};

entry：函數指針，指向線程的入口函數(即線程的執行體)和參數，當線程被調用時候將調用該函數。

struct __thread_entry {
  _thread_entry_t pEntry; // 指向線程的入口函數
void *parameter1;       // 指向入口函數的第一個參數 arg1
void *parameter2;       // 指向入口函數的第二個參數 arg2
void *parameter3;       // 指向入口函數的第三個參數 arg3
};
// 線程的入口函數的函數原型
typedef void (*_thread_entry_t)(_thread_arg_t arg1,
                            _thread_arg_t arg2,
                            _thread_arg_t arg3);

next_thread：與 link 類似，指向線程構成的鏈表中的下一個線程。不過 next_thread 指向的鏈表是由內核中所有的 fiber 和 task 構成的鏈表。
nano_timeout：指定該線程所綁定的超時服務。關於超時服務，請參考《Zephyr OS nano 內核篇：超時服務 timeout》
errno_var：錯誤號。
uk_task_ptr：與microkernel相關，目前還不知道是幹嘛的。

創建一個新線程

void _new_thread(char *pStackMem, unsigned stackSize,
         void *uk_task_ptr, _thread_entry_t pEntry,
         void *parameter1, void *parameter2, void *parameter3,
         int priority, unsigned options)
{
    char *stackEnd = pStackMem + stackSize;
    struct __esf *pInitCtx;
    struct tcs *tcs = (struct tcs *) pStackMem;

#ifdef CONFIG_INIT_STACKS
    // 初始化線程棧的內容，讓其每個字節都被初始化爲0xaa。
    // 如果不初始化，則棧幀中被填充爲0x00，這是爲什麼？
    //     因爲線程棧的本質是一個全局變量，而全局變量默認被初始化爲0
    // 如何知道線程棧的本質是一個全局變量？
    //     追蹤代碼，查看調用_new_thread 的地方，看看傳進來的參數不就知道了麼！
    memset(pStackMem, 0xaa, stackSize);
#endif
    // STACK_ROUND_DOWN(pointer) 的作用請參考【說明1】
    // pInitCtx 用來保存棧幀的信息，即線程的上下文信息，請參考【說明2】
    pInitCtx = (struct __esf *)(STACK_ROUND_DOWN(stackEnd) -
                    sizeof(struct __esf));
    pInitCtx->pc = ((uint32_t)_thread_entry) & 0xfffffffe;
    pInitCtx->a1 = (uint32_t)pEntry;
    pInitCtx->a2 = (uint32_t)parameter1;
    pInitCtx->a3 = (uint32_t)parameter2;
    pInitCtx->a4 = (uint32_t)parameter3;
    pInitCtx->xpsr =
        0x01000000UL; /* clear all, thumb bit is 1, even if RO */

    // 初始化 link、flag和prio
    tcs->link = NULL;
    tcs->flags = priority == -1 ? TASK | PREEMPTIBLE : FIBER;
    tcs->prio = priority;

#ifdef CONFIG_THREAD_CUSTOM_DATA
    tcs->custom_data = NULL;
#endif

#ifdef CONFIG_THREAD_MONITOR
    // 指定線程的入口函數和參數
    tcs->entry = (struct __thread_entry *)(pInitCtx);
#endif

#ifdef CONFIG_MICROKERNEL
    tcs->uk_task_ptr = uk_task_ptr;
#else
    ARG_UNUSED(uk_task_ptr);
#endif

    tcs->preempReg.psp = (uint32_t)pInitCtx;
    tcs->basepri = 0;

    // 初始化超時服務，具體信息請參考《Zephyr OS nano 內核篇：超時服務 timeout》
    _nano_timeout_tcs_init(tcs);

    /* initial values in all other registers/TCS entries are irrelevant */

    THREAD_MONITOR_INIT(tcs);
}

先看一下主要的入參：
- pStackMem：指定線程棧的起始地址
- stackSize：指定線程棧的大小
- pEntry：指定線程的入口函數的地址
- parameter1、parameter2、parameter3：指定傳遞給入口函數的參數。
- 其它：其它一些線程相關的設置，不影響我們理解線程的本質

_new_thread() 的主要任務：
- 爲線程分配一段棧空間(其實是調用_new_thread()的函數分配的)。
- 爲線程指定一個入口函數以及它的參數。
- 對線程棧進行初始化，包括：
- 在線程棧的低地址處，存儲一個結構體 struct tcs，用來保存線程的控制信息。
- 在線程棧的高地址處，存儲一個結構體 struct __esf，用來保存線程的上下文。

用一張圖可以很好地總結這個函數：

線程棧的內存分佈圖

然後再看看本函數的最後一條語句 THREAD_MONITOR_INIT(tcs) ，它涉及到內核中的一個線程鏈表。

#define THREAD_MONITOR_INIT(tcs) _thread_monitor_init(tcs)

static ALWAYS_INLINE void _thread_monitor_init(struct tcs *tcs /* thread */
                       )
{
    unsigned int key;

    key = irq_lock();
    tcs->next_thread = _nanokernel.threads;
    _nanokernel.threads = tcs;
    irq_unlock(key);
}

_nanokernel 是我們下一節《Zephyr OS nano 內核篇：內核大總管_nanokernel》的主角，是內核中定義的一個全局變量。它有一個成員 threads，指向內核中所有線程構成的一個單鏈表。

_thread_monitor_init() 的作用是將線程加入到該鏈表的表頭。

關於內核中的線程構成的各種鏈表，請參考《Zephyr OS nano 內核篇：總結》。

【說明1】

STACK_ROUND_DOWN(x)和STACK_ROUND_UP(x)這對宏的作用是確保棧空間是 STACK_ALIGN_SIZE 字節對齊的。

當 x 表示棧空間的高地址時，需要調用 STACK_ROUND_DOWN(x) 以確保 x 是 STACK_ALIGN_SIZE 字節對齊的，它的主要思想如下：
- 如果 x 本來就是 STACK_ALIGN_SIZE 字節對齊的，則不做如何處理
- 如果 x 不是 STACK_ALIGN_SIZE 字節對齊的，它會捨棄高地址的 0 ~ (STACK_ALIGN_SIZE - 1) 字節，以確保 x 是 STACK_ALIGN_SIZE 字節對齊的。

當 x 表示棧空間的低地址時，需要調用 STACK_ROUND_UP(x) 以確保 x 是 STACK_ALIGN_SIZE 字節對齊的，它的主要思想與 STACK_ROUND_DOWN(x) 類似。

【說明2】

在《Zephyr OS 內核篇：上下文》一文中，我們已經知道，Zephyr 中的上下文分爲三種：fiber、task 和中斷，但是對於上下文具體值的什麼，我們還不清楚。

個人理解，所謂的上下文指的就是線程在運行時芯片內部的環境，即芯片中相關寄存器的值。通過這些寄存器的值，能唯一確定一個線程的運行。那麼，哪些因素將確定一個唯一的線程呢?

對於 Cortex-M 系列，內核定義瞭如下結構體來保存上下文的寄存器：

struct __esf {
    //sys_define_gpr_with_alias 用來定義成員的別名，其本質就是一個聯合體
    sys_define_gpr_with_alias(a1, r0);
    sys_define_gpr_with_alias(a2, r1);
    sys_define_gpr_with_alias(a3, r2);
    sys_define_gpr_with_alias(a4, r3);
    sys_define_gpr_with_alias(ip, r12);
    sys_define_gpr_with_alias(lr, r14);
    sys_define_gpr_with_alias(pc, r15);
    uint32_t xpsr;
#ifdef CONFIG_FLOAT
    float s[16];
    uint32_t fpscr;
    uint32_t undefined;
#endif
};

其中，
- a1：用來保存線程入口函數的地址。
- a2：用來保存線程入口函數的第一個參數的值。
- a3：用來保存線程入口函數的第二個參數的值。
- a4：用來保存線程入口函數的第三個參數的值。
- ip：不知。。。
- lr：用來保存線程返回時的地址。
- pc：當線程執行到一半時，可能被切換出去(比如時間片到期了)，而 pc 指針就可以用來保存被切換出去時的地址。
- xpsr：用來保存線程當前的狀態。

總結，用來保存線程上下文的變量包括：
- struct __esf 中的r0,r1,r2,r3,r12,r14,r15,xpsr
- struce tcs 中的 struct preempt 中的r4,r5,r6,r7,r8,r9,r10,r11,r13
- struct tcs 中的 basepri

即保存的寄存器現場包括：r0-r15, xpsr, basepri

退出一個線程

void _thread_exit(struct tcs *thread)
{
    if (thread == _nanokernel.threads) {
        // 如果該線程是鏈表中的頭結點，直接刪除之
        _nanokernel.threads = _nanokernel.threads->next_thread;
    } else {
        // 如果該線程不是鏈表中的頭結點，先查找到該節點，再刪除之
        struct tcs *prev_thread;

        prev_thread = _nanokernel.threads;
        while (thread != prev_thread->next_thread) {
            prev_thread = prev_thread->next_thread;
        }
        prev_thread->next_thread = thread->next_thread;
    }
}

將線程從 _nanokernel.threads 指向的線程鏈表中刪除。

線程的本質

我們可以從邏輯上將線程看成兩部分：
- 線程的執行實體，即線程的入口函數
- 線程棧

Zephys OS 內核篇：初識線程

線程結構體的定義

define FIBER 0x000 // BIT(0) 爲 0 表示該線程是 fiber

define TASK 0x001 // BIT(0) 爲 1 表示該線程是 task

define INT_ACTIVE 0x002 // BIT(1) 爲 1 表示執行上下文是中斷 handler

define EXC_ACTIVE 0x004 // BIT(2) 爲 1 表示執行上下文是異常

define USE_FP 0x010 // BIT(4) 爲 1 表示該線程使用浮點單元

define PREEMPTIBLE 0x020 // BIT(5) 爲 1 表示該線程可被搶佔。

define ESSENTIAL 0x200 // BIT(9) 爲 1 表示該線程不能被終止

define NO_METRICS 0x400 // BIT(10)爲 1 表示_Swap() not to update task metrics

創建一個新線程

退出一個線程

線程的本質

Zephyr OS nano 內核篇：等待隊列 wait_q

Zephys OS 內核篇：內核大總管 _nanokernel

IEEE 802.15.4協議完整中文版 - 5.1.1 信道訪問

Zephys OS 內核篇：初識線程

Zephys OS nano內核篇：原子操作

Mac下配置sublime實現LaTeX

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

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