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介紹

QNX Neutrino微內(nèi)核procnto實(shí)現(xiàn)了嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中常用的核心POSIX功能，并提供基本的消息傳遞服務(wù)可训。而未實(shí)現(xiàn)的POSIX功能（比如文件沈矿、設(shè)備IO）則可以通過可選的進(jìn)程和共享庫(kù)來提供莉御。
微內(nèi)核包含了一些基本對(duì)象以及操作這些對(duì)象的例程馍佑，這些對(duì)象定義得很具體条舔，而且高度可重用毛肋，整個(gè)操作系統(tǒng)在此之上構(gòu)建的怨咪。

QNX微內(nèi)核

系統(tǒng)服務(wù)

QNX Neutrino微內(nèi)核提供了一系列系統(tǒng)調(diào)用來支持以下服務(wù)：

• 線程
• 消息傳遞
• 信號(hào)
• 時(shí)鐘
• 定時(shí)器
• 中斷處理
• 信號(hào)量
• 互斥鎖
• 條件變量

• 屏障
  整個(gè)系統(tǒng)都是基于這些系統(tǒng)調(diào)用來構(gòu)建的，QNX完全可搶占润匙，甚至在消息傳遞的過程時(shí)也能被搶占诗眨，并在搶占完成后恢復(fù)之前的消息傳遞狀態(tài)。
  微內(nèi)核實(shí)現(xiàn)越簡(jiǎn)單孕讳，越有利于減少不可搶占區(qū)間的長(zhǎng)度匠楚，同時(shí)巍膘，代碼量少，讓解決復(fù)雜的多處理器問題也變得簡(jiǎn)單芋簿。將系統(tǒng)服務(wù)包含進(jìn)內(nèi)核的前提是峡懈，系統(tǒng)服務(wù)只有一個(gè)短的執(zhí)行路徑長(zhǎng)度。需要執(zhí)行很多工作的操作益咬，可以交給外部的進(jìn)程或線程去做逮诲。
  嚴(yán)格按照上邊的規(guī)則來劃分內(nèi)核和外部進(jìn)程功能的話，微內(nèi)核的運(yùn)行時(shí)負(fù)載不見得就高于單內(nèi)核幽告。簡(jiǎn)單內(nèi)核的上下文切換的時(shí)間非趁佛校快，相比于在進(jìn)程間通過消息傳遞來服務(wù)請(qǐng)求的時(shí)間冗锁，上下文的切換開銷微不足道齐唆。
  下圖演示了在非對(duì)稱多處理器內(nèi)核（X86實(shí)現(xiàn)）搶占的細(xì)節(jié)，其中冻河，中斷禁用或禁止搶占的時(shí)間非常短箍邮，通常為幾百納秒。

  
  
  QNX Neutrino搶占

線程和進(jìn)程

在開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)（實(shí)時(shí)叨叙、嵌入式锭弊、圖形等），通常會(huì)用到POSIX線程模型來實(shí)現(xiàn)多個(gè)算法同時(shí)執(zhí)行擂错。線程是微內(nèi)核中最小的執(zhí)行和調(diào)度單元味滞，進(jìn)程可以認(rèn)為是線程的“容器”，定義了線程將在其中執(zhí)行的“地址空間”钮呀，進(jìn)程會(huì)包含一個(gè)或多個(gè)線程剑鞍。
應(yīng)用程序中的線程有可能相互獨(dú)立，也可能緊密的聯(lián)系爽醋，QNX Neutrino提供了豐富的IPC和同步服務(wù)蚁署。
其中不涉及微內(nèi)核線程調(diào)用的POSIX接口有如下：

下表中的POSIX接口，微內(nèi)核中有對(duì)應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)一樣的功能蚂四，允許自己來選擇：

線程屬性

盡管進(jìn)程中的線程共享進(jìn)程地址空間中的所有內(nèi)容光戈，但每個(gè)線程仍然有一些“私有”數(shù)據(jù)，在某些情況下遂赠，這些私有數(shù)據(jù)在內(nèi)核中受到保護(hù)田度，比如線程ID/進(jìn)程ID；而其他的可能不受保護(hù)解愤，比如線程的堆棧镇饺。
值得注意的私有數(shù)據(jù)有：

• tid，線程ID送讲，每個(gè)線程在進(jìn)程中都有唯一的ID奸笤，從1開始惋啃；
• priority，每個(gè)線程都有一個(gè)調(diào)度的優(yōu)先級(jí)监右，線程的初始優(yōu)先級(jí)是繼承而來边灭，并且可以根據(jù)調(diào)度策略進(jìn)行改變，進(jìn)程沒有優(yōu)先級(jí)健盒；
• name绒瘦，線程名字，可以通過pthread_getname_np()和pthread_setname_np()來獲取和設(shè)置扣癣；
• Register set惰帽，每個(gè)線程都有IP、SP以及處理器相關(guān)的寄存器上下文父虑；
• Stack该酗，線程在自己的堆棧上執(zhí)行，存儲(chǔ)在其進(jìn)程的地址空間中士嚎；
• Signal mask呜魄，信號(hào)掩碼；
• Thread local storage莱衩，線程本地存儲(chǔ)TLS爵嗅，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)，用戶不需要直接訪問TLS笨蚁，線程可以通過線程特定的key與用戶自定義數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定操骡，用到的接口有pthread_key_create(), pthread_key_delete(), pthread_setspecific(), pthread_getspecfic().其中線程對(duì)應(yīng)的key和線程ID是通過稀疏矩陣來映射的。
• Cancellation handlers赚窃，線程終止時(shí)執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)；

線程生命周期

線程是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的岔激，創(chuàng)建時(shí)涉及到資源分配和初始化勒极，銷毀時(shí)涉及到資源回收，當(dāng)線程執(zhí)行時(shí)虑鼎，它的狀態(tài)通常描述為“就緒”或“阻塞”辱匿，具體來說有以下狀態(tài)：

線程狀態(tài)

• CONDVAR，阻塞在條件變量上炫彩，比如調(diào)用pthread_cond_wait()匾七；
• DEAD，線程終止了江兢，等待被其他線程join昨忆；
• INTERRUPT，阻塞在等待中斷上杉允，比如調(diào)用InterruptWait()邑贴；
• JOIN席里，線程阻塞在join另一個(gè)線程，比如調(diào)用pthread_join()拢驾；
• MUTEX奖磁，線程阻塞在互斥鎖上，比如調(diào)用pthread_mutex_lock()繁疤；
• NANOSLEEP咖为，線程休眠很短的時(shí)間，比如調(diào)用nanosleep()稠腊；
• NET_REPLY躁染，線程正在等待通過網(wǎng)絡(luò)傳遞回復(fù)，比如調(diào)用MsgReply*()麻养；
• NET_SEND褐啡，線程正在等待通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送脈沖或信號(hào)，比如調(diào)用MsgSendPulse()鳖昌，MsgDeliverEvent()备畦，SignalKill()`等；
• READY许昨，線程等待執(zhí)行懂盐，此時(shí)處理器可能正在執(zhí)行同級(jí)或更高優(yōu)先級(jí)的線程；
• RECEIVE糕档，線程阻塞在接收消息上莉恼，比如調(diào)用MsgReceive()；
• REPLY速那，線程阻塞在消息回復(fù)上俐银，比如調(diào)用MsgSend()；
• RUNNING端仰，線程正在執(zhí)行捶惜，內(nèi)核會(huì)使用一個(gè)數(shù)組（每個(gè)CPU上有一個(gè)入口）來跟蹤記錄所有運(yùn)行的線程；
• SEM荔烧，線程正在等待信號(hào)量的釋放吱七，比如調(diào)用SyncSemWait()；
• SEND鹤竭，線程阻塞在信息發(fā)送上踊餐，比如調(diào)用MsgSend()，但服務(wù)器還沒收到消息臀稚；
• SIGSUSPEND吝岭，線程阻塞在等待一個(gè)信號(hào)上，比如調(diào)用sigsuspend()；
• SIGWAITINFO苍碟，線程阻塞在等待一個(gè)信號(hào)之上酒觅，比如調(diào)用sigwaitinfo()；
• STACK微峰，線程正在等待虛擬堆棧地址空間分配舷丹，父進(jìn)程調(diào)用ThreadCreate()；
• STOPPED蜓肆，線程阻塞在等待SIGCONT信號(hào)颜凯；
• WAITCTX，線程在等待非整數(shù)上下文變得可用仗扬，比如浮點(diǎn)運(yùn)算症概；
• WAITPAGE，線程等待為虛擬地址分配物理地址早芭；
• WAITTHREAD彼城，線程等待子線程完成自我創(chuàng)建，比如調(diào)用ThreadCreate()退个；

線程調(diào)度

當(dāng)執(zhí)行內(nèi)核調(diào)用募壕、異常、硬件中斷時(shí)语盈，當(dāng)前的執(zhí)行線程會(huì)被掛起舱馅，每當(dāng)任何線程的執(zhí)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)做出調(diào)度決策刀荒。通常被掛起的線程將會(huì)被恢復(fù)代嗤，這時(shí)線程調(diào)度器將進(jìn)行一次上下文切換。
有三種情況會(huì)發(fā)生上下文切換：

• 阻塞缠借，當(dāng)線程需要等待某些事件的發(fā)生時(shí)（比如響應(yīng)IPC請(qǐng)求干毅、等待互斥鎖等），就會(huì)阻塞等待泼返。線程被阻塞時(shí)硝逢，會(huì)從運(yùn)行隊(duì)列中移除，解阻塞時(shí)會(huì)移動(dòng)到同優(yōu)先級(jí)就緒隊(duì)列的尾部中符隙。
• 搶占，高優(yōu)先級(jí)線程會(huì)搶占低優(yōu)先線程垫毙；
• 主動(dòng)讓出CPU霹疫，比如調(diào)用sched_yield()等；

調(diào)度優(yōu)先級(jí)

每個(gè)線程都會(huì)分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)综芥，QNX Neutrino支持256級(jí)優(yōu)先級(jí)丽蝎，non-root線程可以將優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1-63，與調(diào)度策略無(wú)關(guān)，root線程（有效uid為0）屠阻，能將優(yōu)先級(jí)設(shè)置為63之上红省。通常會(huì)采用優(yōu)先級(jí)繼承來應(yīng)對(duì)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的問題。
下圖中描述了一個(gè)就緒隊(duì)列中国觉，B-F是就緒吧恃，G-Z是阻塞，A正在運(yùn)行：

就緒隊(duì)列

調(diào)度策略

QNX Neutrino支持三種調(diào)度策略麻诀，這個(gè)也跟Nuttx系統(tǒng)一樣：

1. FIFO調(diào)度
   在FIFO調(diào)度下痕寓，線程會(huì)在兩種情況下放棄執(zhí)行：1）主動(dòng)放棄CPU；2）高優(yōu)先級(jí)線程搶占蝇闭；

   
   
   FIFO調(diào)度

2. Round-Robin調(diào)度
   在Round-Robin調(diào)度下呻率，線程會(huì)在三種情況下放棄執(zhí)行：1）主動(dòng)放棄CPU；2）高優(yōu)先級(jí)線程搶占呻引；3）時(shí)間片消耗完畢礼仗；

   
   
   Round-Robin調(diào)度
   
   

   時(shí)間片為4倍時(shí)鐘周期。與FIFO調(diào)度不同的是多了一個(gè)時(shí)間片的控制逻悠。

3. Sporadic調(diào)度
   Sporadic調(diào)度策略通常用于在給定時(shí)間段內(nèi)提供線程執(zhí)行時(shí)間的上限元践，Sporadic調(diào)度會(huì)為線程執(zhí)行提供“預(yù)算”。與FIFO調(diào)度一樣蹂风，在阻塞或被搶占的情況下會(huì)放棄執(zhí)行卢厂。Sporadic調(diào)度會(huì)自動(dòng)降低線程的優(yōu)先級(jí)，可以更精確的控制線程的行為惠啄。
   Sporadic調(diào)度時(shí)慎恒，線程優(yōu)先級(jí)會(huì)在前臺(tái)正常優(yōu)先級(jí)N和后臺(tái)低優(yōu)先級(jí)L之間動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過使用下列參數(shù)控制調(diào)度條件：

• Initial budget（C）撵渡，線程從正常優(yōu)先級(jí)調(diào)整到低優(yōu)先級(jí)前融柬，允許的執(zhí)行時(shí)間；
• Low priority（L）趋距，線程降到的優(yōu)先級(jí)粒氧，線程在后臺(tái)以L優(yōu)先級(jí)運(yùn)行，在前臺(tái)以N優(yōu)先級(jí)運(yùn)行节腐；
• Replenishment period（T）外盯，允許線程消耗執(zhí)行預(yù)算的時(shí)間段，對(duì)于Replenishment操作翼雀，POSIX實(shí)現(xiàn)時(shí)采用這個(gè)值作為線程變?yōu)镽eady狀態(tài)的時(shí)間段饱苟。

• Max number of pending replenishment，Replenishment最大次數(shù)狼渊，決定了Sporadic調(diào)度策略的最大系統(tǒng)負(fù)載上限箱熬。
  下圖所示，Sporadic調(diào)度策略建立了線程的初始化執(zhí)行budget（預(yù)算），線程執(zhí)行時(shí)會(huì)消耗這個(gè)budget城须，但這個(gè)值會(huì)周期性重復(fù)填滿蚤认。

  
  
  Sporadic調(diào)度

在正常優(yōu)先級(jí)N時(shí)，線程會(huì)執(zhí)行budget時(shí)間C糕伐，當(dāng)時(shí)間耗盡后砰琢，線程的優(yōu)先級(jí)會(huì)調(diào)整至L。當(dāng)Replenishment發(fā)生后又將恢復(fù)到原來的優(yōu)先級(jí)赤炒，在一個(gè)T的時(shí)間周期內(nèi)氯析，線程將會(huì)有機(jī)會(huì)最大去執(zhí)行C的運(yùn)行時(shí)間，也能保證一個(gè)線程在N優(yōu)先級(jí)的情況下只消耗C/T比例的系統(tǒng)資源莺褒。假設(shè)在一個(gè)系統(tǒng)中掩缓，線程不會(huì)被阻塞或搶占，運(yùn)行情況如下圖所示：

image.png

關(guān)于優(yōu)先級(jí)和調(diào)度策略的設(shè)置遵岩，有以下接口來實(shí)現(xiàn)：

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

同步服務(wù)

QNX Neutrino提供POSIX標(biāo)準(zhǔn)線程級(jí)別的同步原語(yǔ)：

上述同步機(jī)制中你辣，大部分都是由內(nèi)核直接實(shí)現(xiàn)，除了以下幾種：

• 屏障尘执、睡眠鎖舍哄、讀寫鎖，這些是基于條件變量和互斥鎖實(shí)現(xiàn)的誊锭；
• 原子操作表悬，由處理器提供，或者在內(nèi)核中模擬實(shí)現(xiàn)丧靡；

1. Mutex
   互斥鎖是最簡(jiǎn)單的同步服務(wù)蟆沫，用于對(duì)臨界區(qū)的互斥訪問，通常會(huì)用phtread_mutext_lock()/pthread_mutex_timedlock()來獲取鎖温治，使用phread_mutext_unlock()來釋放鎖饭庞，當(dāng)獲取不到鎖的時(shí)候線程會(huì)阻塞等待，也可以使用非阻塞函數(shù)pthread_mutex_trylock()來測(cè)試Mutex是否已經(jīng)被鎖熬荆。

2. Condvars
   條件變量用于在臨界區(qū)來阻塞線程舟山，直到滿足某些條件，這些條件可以是任意復(fù)雜的卤恳，并且與Condvar無(wú)關(guān)累盗。Condvar必須始終與Mutex一起使用。
   條件變量支持三種操作：

• 等待突琳，pthread_cond_wait()
• 發(fā)出信號(hào)若债，pthread_cond_signal()
• 廣播，pthread_cond_broadcast()

3.Barriers
屏障是一種同步機(jī)制本今，可以用于將多個(gè)協(xié)作線程阻塞在某個(gè)點(diǎn)等待拆座，直到所有線程都完成后才可以繼續(xù)。pthread_join()函數(shù)是用于等待線程終止冠息，而屏障是用于等待多個(gè)線程在某個(gè)點(diǎn)“集合”挪凑，當(dāng)線程都達(dá)到后，就可以取消阻塞所有線程并繼續(xù)運(yùn)行了逛艰。有以下接口：

4.Sleepon locks
Sleepon locks與Condvar很像躏碳，也都是等待條件的滿足，不同的是Condvars必須為每個(gè)檢查的condition分配Mutex散怖，而Sleepon locks可以復(fù)用一個(gè)Mutex菇绵。

5. Reader/writer locks
   讀寫鎖通常用于“多個(gè)讀取者，單個(gè)寫入者”場(chǎng)景的同步镇眷，它的開銷遠(yuǎn)大于Mutex咬最，但是在這種數(shù)據(jù)訪問模式下很有用。通常使用pthread_rwlock_rdlock()/pthread_rwlock_wrlock()/pthread_rwlock_unlock()接口欠动。

6. Semaphores
   信號(hào)量是常用的同步形式永乌，允許線程在一個(gè)信號(hào)量上post和wait來控制線程何時(shí)喚醒和休眠。信號(hào)量與其他同步原語(yǔ)的一個(gè)顯著區(qū)別是信號(hào)量是異步安全的具伍，可以由信號(hào)處理程序操作翅雏。如果想讓一個(gè)信號(hào)處理程序喚醒一個(gè)線程，信號(hào)量是正確的選擇人芽。
   對(duì)于單個(gè)進(jìn)程中的線程之間同步望几，互斥鎖比信號(hào)量更有效。

7. 通過調(diào)度策略來同步
   可以使用FIFO調(diào)度策略來保證同一優(yōu)先級(jí)的線程不會(huì)在非SMP系統(tǒng)中并發(fā)運(yùn)行萤厅。

8. 通過消息傳遞來同步
   Send/Receive/ReplyIPC消息傳遞天然就是一種同步機(jī)制橄抹，在很多情況下讓其他同步機(jī)制變得不必要。它們也是唯一可以跨網(wǎng)絡(luò)使用的同步和IPC原語(yǔ)祈坠。

9. 通過原子操作來同步
   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害碾，但原子操作在以下兩種情況下非常適用：
• ISR和線程之間，ISR可以在任何時(shí)間點(diǎn)搶占線程赦拘，線程保護(hù)自己不被ISR打擾的唯一方法就是禁用中斷慌随，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中不建議禁用中斷，推薦使用QNX提供的原子操作躺同；
• 兩個(gè)線程之間阁猜，在SMP系統(tǒng)中，線程能做到真正并發(fā)蹋艺，使用原子操作來進(jìn)行保護(hù)剃袍；

時(shí)鐘和定時(shí)器服務(wù)

時(shí)鐘服務(wù)用于維護(hù)系統(tǒng)時(shí)間，同時(shí)內(nèi)核也會(huì)使用時(shí)間服務(wù)來完成定時(shí)器操作捎谨。
時(shí)鐘相關(guān)的接口如下：

QNX提供了POSIX定時(shí)器所有功能函數(shù)集民效，定時(shí)器模型很豐富憔维，有以下幾種timer類型：

• 絕對(duì)日期
• 相對(duì)日期

• 周期性的
  周期模式非常重要，因?yàn)槎〞r(shí)器常用來作為事件周期性來源畏邢，觸發(fā)某些線程進(jìn)行處理业扒，處理完后睡眠，直到下一個(gè)事件觸發(fā)舒萎。定時(shí)器是OS中的另外一個(gè)事件源程储，所有定時(shí)器都能用作時(shí)間分發(fā)系統(tǒng)。應(yīng)用請(qǐng)求在定時(shí)器超時(shí)后臂寝，系統(tǒng)發(fā)送QNX支持的任意事件章鲤。
  定時(shí)器有以下接口：

  
  

中斷處理

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，減少不必要的CPU cycles是至關(guān)重要的咆贬，需要關(guān)注兩個(gè)latency：中斷l(xiāng)atency败徊，調(diào)度latency。

中斷l(xiāng)atency

中斷l(xiāng)atency指的是從硬件中斷觸發(fā)到執(zhí)行驅(qū)動(dòng)程序中中斷處理函數(shù)的第一條指令之間的時(shí)間間隔掏缎。在QNX中集嵌，一直維持中斷使能，但在某些特殊的代碼中需要關(guān)閉中斷御毅，可能會(huì)造成大的延遲根欧，在QNX中這個(gè)時(shí)間很短。

中斷l(xiāng)atency

調(diào)度latency

調(diào)度latency指的是從中斷處理函數(shù)中返回后到驅(qū)動(dòng)線程第一條指令執(zhí)行的時(shí)間間隔端蛆，通常包括保存當(dāng)前執(zhí)行上下文凤粗，加載驅(qū)動(dòng)線程上下文。盡管這個(gè)時(shí)間大于中斷l(xiāng)atency今豆，但是QNX中調(diào)度延遲仍然很小嫌拣。

調(diào)度latency

中斷嵌套

QNX支持中斷嵌套，中斷嵌套時(shí)序比較復(fù)雜呆躲，考慮以下這種情況：進(jìn)程A在運(yùn)行异逐，中斷IRQx觸發(fā)Intx運(yùn)行，在處理時(shí)又被IRQy搶占觸發(fā)Inty運(yùn)行插掂，Inty返回一個(gè)事件導(dǎo)致線程B運(yùn)行灰瞻，Intx返回一個(gè)事件導(dǎo)致線程C運(yùn)行，如下圖：

中斷嵌套

中斷接口

中斷API