[转]QNX_Neutrino微内核

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锋影

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介绍

QNX Neutrino微内核procnto实现了嵌入式实时系统中常用的核心POSIX功能，并提供基本的消息传递服务。而未实现的POSIX功能（比如文件、设备IO）则可以通过可选的进程和共享库来提供。
微内核包含了一些基本对象以及操作这些对象的例程，这些对象定义得很具体，而且高度可重用，整个操作系统在此之上构建的。

QNX微内核

 

系统服务

QNX Neutrino微内核提供了一系列系统调用来支持以下服务：

• 线程
• 消息传递
• 信号
• 时钟
• 定时器
• 中断处理
• 信号量
• 互斥锁
• 条件变量

• 屏障
  整个系统都是基于这些系统调用来构建的，QNX完全可抢占，甚至在消息传递的过程时也能被抢占，并在抢占完成后恢复之前的消息传递状态。
  微内核实现越简单，越有利于减少不可抢占区间的长度，同时，代码量少，让解决复杂的多处理器问题也变得简单。将系统服务包含进内核的前提是，系统服务只有一个短的执行路径长度。需要执行很多工作的操作，可以交给外部的进程或线程去做。
  严格按照上边的规则来划分内核和外部进程功能的话，微内核的运行时负载不见得就高於单内核。简单内核的上下文切换的时间非常快，相比于在进程间通过消息传递来服务请求的时间，上下文的切换开销微不足道。
  下图演示了在非对称多处理器内核（X86实现）抢占的细节，其中，中断禁用或禁止抢占的时间非常短，通常为几百纳秒。

   

  QNX Neutrino抢占

线程和进程

在开发应用程序时（实时、嵌入式、图形等），通常会用到POSIX线程模型来实现多个算法同时执行。线程是微内核中最小的执行和调度单元，进程可以认为是线程的“容器”，定义了线程将在其中执行的“地址空间”，进程会包含一个或多个线程。
应用程序中的线程有可能相互独立，也可能紧密的联系，QNX Neutrino提供了丰富的IPC和同步服务。
其中不涉及微内核线程调用的POSIX接口有如下：

 

下表中的POSIX接口，微内核中有对应的接口实现一样的功能，允许自己来选择：

 

线程属性

尽管进程中的线程共享进程地址空间中的所有内容，但每个线程仍然有一些“私有”数据，在某些情况下，这些私有数据在内核中受到保护，比如线程ID/进程ID；而其他的可能不受保护，比如线程的堆栈。
值得注意的私有数据有：

• tid，线程ID，每个线程在进程中都有唯一的ID，从1开始；
• priority，每个线程都有一个调度的优先级，线程的初始优先级是继承而来，并且可以根据调度策略进行改变，进程没有优先级；
• name，线程名字，可以通过pthread_getname_np()和pthread_setname_np()来获取和设置；
• Register set，每个线程都有IP、SP以及处理器相关的寄存器上下文；
• Stack，线程在自己的堆栈上执行，存储在其进程的地址空间中；
• Signal mask，信号掩码；
• Thread local storage，线程本地存储TLS，用于存储线程私有的数据，用户不需要直接访问TLS，线程可以通过线程特定的key与用户自定义数据进行绑定，用到的接口有pthread_key_create(), pthread_key_delete(), pthread_setspecific(), pthread_getspecfic().其中线程对应的key和线程ID是通过稀疏矩阵来映射的。
• Cancellation handlers，线程终止时执行的回调函数；

线程生命周期

线程是动态创建的，创建时涉及到资源分配和初始化，销毁时涉及到资源回收，当线程执行时，它的状态通常描述为“就绪”或“阻塞”，具体来说有以下状态：

 

线程状态

• CONDVAR，阻塞在条件变量上，比如调用pthread_cond_wait()；
• DEAD，线程终止了，等待被其他线程join；
• INTERRUPT，阻塞在等待中断上，比如调用InterruptWait()；
• JOIN，线程阻塞在join另一个线程，比如调用pthread_join()；
• MUTEX，线程阻塞在互斥锁上，比如调用pthread_mutex_lock()；
• NANOSLEEP，线程休眠很短的时间，比如调用nanosleep()；
• NET_REPLY，线程正在等待通过网络传递回复，比如调用MsgReply*()；
• NET_SEND，线程正在等待通过网络发送脉冲或信号，比如调用MsgSendPulse()，MsgDeliverEvent()，SignalKill()`等；
• READY，线程等待执行，此时处理器可能正在执行同级或更高优先级的线程；
• RECEIVE，线程阻塞在接收消息上，比如调用MsgReceive()；
• REPLY，线程阻塞在消息回复上，比如调用MsgSend()；
• RUNNING，线程正在执行，内核会使用一个数组（每个CPU上有一个入口）来跟踪记录所有运行的线程；
• SEM，线程正在等待信号量的释放，比如调用SyncSemWait()；
• SEND，线程阻塞在信息发送上，比如调用MsgSend()，但服务器还没收到消息；
• SIGSUSPEND，线程阻塞在等待一个信号上，比如调用sigsuspend()；
• SIGWAITINFO，线程阻塞在等待一个信号之上，比如调用sigwaitinfo()；
• STACK，线程正在等待虚拟堆栈地址空间分配，父进程调用ThreadCreate()；
• STOPPED，线程阻塞在等待SIGCONT信号；
• WAITCTX，线程在等待非整数上下文变得可用，比如浮点运算；
• WAITPAGE，线程等待为虚拟地址分配物理地址；
• WAITTHREAD，线程等待子线程完成自我创建，比如调用ThreadCreate()；

线程调度

当执行内核调用、异常、硬件中断时，当前的执行线程会被挂起，每当任何线程的执行状态发生改变时，都会做出调度决策。通常被挂起的线程将会被恢复，这时线程调度器将进行一次上下文切换。
有三种情况会发生上下文切换：

• 阻塞，当线程需要等待某些事件的发生时（比如响应IPC请求、等待互斥锁等），就会阻塞等待。线程被阻塞时，会从运行队列中移除，解阻塞时会移动到同优先级就绪队列的尾部中。
• 抢占，高优先级线程会抢占低优先线程；
• 主动让出CPU，比如调用sched_yield()等；

调度优先级

每个线程都会分配一个优先级，QNX Neutrino支持256级优先级，non-root线程可以将优先级设置为1-63，与调度策略无关，root线程（有效uid为0），能将优先级设置为63之上。通常会采用优先级继承来应对优先级反转的问题。
下图中描述了一个就绪队列中，B-F是就绪，G-Z是阻塞，A正在运行：

 

就绪队列

调度策略

QNX Neutrino支持三种调度策略，这个也跟Nuttx系统一样：

1. FIFO调度
   在FIFO调度下，线程会在两种情况下放弃执行：1）主动放弃CPU；2）高优先级线程抢占；

    

   FIFO调度

2. Round-Robin调度
   在Round-Robin调度下，线程会在三种情况下放弃执行：1）主动放弃CPU；2）高优先级线程抢占；3）时间片消耗完毕；

    

   Round-Robin调度

    

   时间片为4倍时钟周期。与FIFO调度不同的是多了一个时间片的控制。

3. Sporadic调度
   Sporadic调度策略通常用于在给定时间段内提供线程执行时间的上限，Sporadic调度会为线程执行提供“预算”。与FIFO调度一样，在阻塞或被抢占的情况下会放弃执行。Sporadic调度会自动降低线程的优先级，可以更精确的控制线程的行为。
   Sporadic调度时，线程优先级会在前台正常优先级N和后台低优先级L之间动态调整，通过使用下列参数控制调度条件：

• Initial budget（C），线程从正常优先级调整到低优先级前，允许的执行时间；
• Low priority（L），线程降到的优先级，线程在后台以L优先级运行，在前台以N优先级运行；
• Replenishment period（T），允许线程消耗执行预算的时间段，对于Replenishment操作，POSIX实现时采用这个值作为线程变为Ready状态的时间段。

• Max number of pending replenishment，Replenishment最大次数，决定了Sporadic调度策略的最大系统负载上限。
  下图所示，Sporadic调度策略建立了线程的初始化执行budget（预算），线程执行时会消耗这个budget，但这个值会周期性重复填满。

   

  Sporadic调度

在正常优先级N时，线程会执行budget时间C，当时间耗尽后，线程的优先级会调整至L。当Replenishment发生后又将恢复到原来的优先级，在一个T的时间周期内，线程将会有机会最大去执行C的运行时间，也能保证一个线程在N优先级的情况下只消耗C/T比例的系统资源。假设在一个系统中，线程不会被阻塞或抢占，运行情况如下图所示：

 

image.png

关于优先级和调度策略的设置，有以下接口来实现：

• sched_getparam()/SchedGet()
• sched_setparam()/SchedSet()
• sched_getscheduler()/SchedGet()
• sched_setscheduler()/SchedSet()

同步服务

QNX Neutrino提供POSIX标准线程级别的同步原语：

 

 

上述同步机制中，大部分都是由内核直接实现，除了以下几种：

• 屏障、睡眠锁、读写锁，这些是基于条件变量和互斥锁实现的；
• 原子操作，由处理器提供，或者在内核中模拟实现；

1. Mutex
   互斥锁是最简单的同步服务，用于对临界区的互斥访问，通常会用phtread_mutext_lock()/pthread_mutex_timedlock()来获取锁，使用phread_mutext_unlock()来释放锁，当获取不到锁的时候线程会阻塞等待，也可以使用非阻塞函数pthread_mutex_trylock()来测试Mutex是否已经被锁。

2. Condvars
   条件变量用于在临界区来阻塞线程，直到满足某些条件，这些条件可以是任意复杂的，并且与Condvar无关。Condvar必须始终与Mutex一起使用。
   条件变量支持三种操作：

• 等待，pthread_cond_wait()
• 发出信号，pthread_cond_signal()
• 广播，pthread_cond_broadcast()

3.Barriers
屏障是一种同步机制，可以用于将多个协作线程阻塞在某个点等待，直到所有线程都完成后才可以继续。pthread_join()函数是用于等待线程终止，而屏障是用于等待多个线程在某个点“集合”，当线程都达到后，就可以取消阻塞所有线程并继续运行了。有以下接口：

 

4.Sleepon locks
Sleepon locks与Condvar很像，也都是等待条件的满足，不同的是Condvars必须为每个检查的condition分配Mutex，而Sleepon locks可以复用一个Mutex。

1. Reader/writer locks
   读写锁通常用于“多个读取者，单个写入者”场景的同步，它的开销远大于Mutex，但是在这种数据访问模式下很有用。通常使用pthread_rwlock_rdlock()/pthread_rwlock_wrlock()/pthread_rwlock_unlock()接口。

2. Semaphores
   信号量是常用的同步形式，允许线程在一个信号量上post和wait来控制线程何时唤醒和休眠。信号量与其他同步原语的一个显著区别是信号量是异步安全的，可以由信号处理程序操作。如果想让一个信号处理程序唤醒一个线程，信号量是正确的选择。
   对於单个进程中的线程之间同步，互斥锁比信号量更有效。

3. 通过调度策略来同步
   可以使用FIFO调度策略来保证同一优先级的线程不会在非SMP系统中并发运行。

4. 通过消息传递来同步
   Send/Receive/ReplyIPC消息传递天然就是一种同步机制，在很多情况下让其他同步机制变得不必要。它们也是唯一可以跨网络使用的同步和IPC原语。

5. 通过原子操作来同步
   QNX Neutrino提供以下原子操作：

• adding a value
• subtracting a value
• clearing bits
• setting bits
• toggling (complementing) bits
  可以在任何地方使用原子操作，但原子操作在以下两种情况下非常适用：
• ISR和线程之间，ISR可以在任何时间点抢占线程，线程保护自己不被ISR打扰的唯一方法就是禁用中断，在实时系统中不建议禁用中断，推荐使用QNX提供的原子操作；
• 两个线程之间，在SMP系统中，线程能做到真正并发，使用原子操作来进行保护；

时钟和定时器服务

时钟服务用于维护系统时间，同时内核也会使用时间服务来完成定时器操作。
时钟相关的接口如下：

 

QNX提供了POSIX定时器所有功能函数集，定时器模型很丰富，有以下几种timer类型：

• 绝对日期
• 相对日期

• 周期性的
  周期模式非常重要，因为定时器常用来作为事件周期性来源，触发某些线程进行处理，处理完后睡眠，直到下一个事件触发。定时器是OS中的另外一个事件源，所有定时器都能用作时间分发系统。应用请求在定时器超时后，系统发送QNX支持的任意事件。
  定时器有以下接口：

   

中断处理

在实时系统中，减少不必要的CPU cycles是至关重要的，需要关注两个latency：中断latency，调度latency。

中断latency

中断latency指的是从硬件中断触发到执行驱动程序中中断处理函数的第一条指令之间的时间间隔。在QNX中，一直维持中断使能，但在某些特殊的代码中需要关闭中断，可能会造成大的延迟，在QNX中这个时间很短。

 

中断latency

调度latency

调度latency指的是从中断处理函数中返回后到驱动线程第一条指令执行的时间间隔，通常包括保存当前执行上下文，加载驱动线程上下文。尽管这个时间大于中断latency，但是QNX中调度延迟仍然很小。

 

调度latency

中断嵌套

QNX支持中断嵌套，中断嵌套时序比较复杂，考虑以下这种情况：进程A在运行，中断IRQx触发Intx运行，在处理时又被IRQy抢占触发Inty运行，Inty返回一个事件导致线程B运行，Intx返回一个事件导致线程C运行，如下图：

 

中断嵌套

中断接口

中断API

作者：Loyen
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来源：简书
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