線程基礎(chǔ)原理

線程之間搶占

中斷搶占線程

中斷搶占中斷

strongerHuang

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運(yùn)行多個(gè)線程

1.單核“單線程”

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，單核處理器一次只能執(zhí)行一條指令，也就是說(shuō)只能“單線程”。（當(dāng)然，多核處理器就不一樣）

為了在單核處理器上運(yùn)行多個(gè)線程，我們實(shí)際上需要定期在線程之間進(jìn)行快速切換，以便用戶(hù)感覺(jué)多個(gè)線程在并行運(yùn)行。

比如處理器執(zhí)行兩個(gè)線程，處理器實(shí)際在兩個(gè)線程之間來(lái)回切換，如下圖：

2.處理器在線程之間切換，它是如何做到的？

我們說(shuō)的單核處理器是“單線程”的，它有一組寄存器，我們就叫這組寄存器屬于一個(gè)“線程”。

例如，計(jì)算兩個(gè)數(shù)字的總和時(shí)：

//假設(shè)我們有兩個(gè)整數(shù)：a和bint c = a + b ;

實(shí)際發(fā)生的情況如下所示（當(dāng)然，它取決于的MCU類(lèi)型，但總體思路是相同）：

# MIPS反匯編： LW V0, -32744(GP) # "a" 的值從RAM加載到寄存器V0LW V1, -32740(GP) # 值"b" 從RAM加載到寄存器V1ADDU V0, V1, V0 # a、b值相加，結(jié)果保存到寄存器V0中SW V0, -32496(GP) # 寄存器V0的值存儲(chǔ)在RAM中（變量c所在的位置）

你會(huì)發(fā)現(xiàn)上面執(zhí)行了4個(gè)動(dòng)作，但是搶占式操作系統(tǒng)可以在任何時(shí)候搶占另一個(gè)線程，包括在這4個(gè)動(dòng)作之間。

假如在這過(guò)程中有其他線程搶占了，其他線程同樣搶占了當(dāng)前線程V0、 V1，如果不對(duì)V0、 V1進(jìn)行保存，那么下次回來(lái)執(zhí)行當(dāng)前線程，結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)。

所以，針對(duì)當(dāng)前這種問(wèn)題，我們就需要在切換線程之前，對(duì)V0、 V1的數(shù)值進(jìn)行保存，當(dāng)下次切換到當(dāng)前線程，再恢復(fù)V0、 V1的數(shù)值，大致流程如下：

大概意思就是：當(dāng)我們需要從一個(gè)線程切換到另一個(gè)線程時(shí)，內(nèi)核獲得控制權(quán)，執(zhí)行必要的內(nèi)務(wù)處理（至少要保存和恢復(fù)寄存器值），然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)線程以運(yùn)行。

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線程的堆棧

上面說(shuō)的搶占位置，到底在哪里，每個(gè)線程保存在哪個(gè)寄存器值中？這就是線程的堆棧的內(nèi)容。 在有MMU的操作系統(tǒng)中，（用戶(hù)的）線程堆?？梢园葱鑴?dòng)態(tài)增長(zhǎng)：線程需要的堆?？臻g越多，線程堆棧就越多（如果內(nèi)核允許）。 但是，我們一般的MCU卻沒(méi)有MMU這個(gè)“高端”的東西，所有RAM都靜態(tài)映射到地址空間。因此，每個(gè)線程都會(huì)有用于堆棧的RAM空間，如果線程使用的RAM超過(guò)堆棧的數(shù)量，則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出或細(xì)微的錯(cuò)誤。（實(shí)際上，每個(gè)線程的堆?？臻g只是一連續(xù)數(shù)組空間）。 因此，當(dāng)我們決定為每個(gè)線程分配多少堆棧時(shí)，我們只是估計(jì)可能需要多少堆棧，但是具體多少可能不是很清楚。 比如，如果這是一個(gè)具有多層嵌套調(diào)用的GUI線程，則可能需要數(shù)個(gè)千字節(jié)，但如果它是一個(gè)流水燈的小線程，則可能幾十字節(jié)就足夠了。 假設(shè)我們有三個(gè)線程，它們的堆棧消耗如下：

如上面所述，每個(gè)線程的寄存器值都保存在線程的堆棧中。線程的寄存器值集稱(chēng)為線程的“上下文”。如下圖所示（線程A為在正在執(zhí)行的“活動(dòng)線程”）：

請(qǐng)注意，在正在執(zhí)行的線程A的上下文沒(méi)有保存在堆棧中，堆棧指針指向線程A用戶(hù)數(shù)據(jù)的頂部，并且當(dāng)前處理器的寄存器專(zhuān)用于線程A。 當(dāng)內(nèi)核決定將控制權(quán)切換到線程B時(shí)，它將執(zhí)行以下操作：

將所有寄存器值保存到堆棧中（保存到線程A堆棧的頂部）；

將堆棧指針切換到線程B的堆棧頂部；

從堆棧（從線程B的堆棧頂部）恢復(fù)所有寄存器值；

此時(shí)，你會(huì)看到：

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中斷（ISR）搶占

上面在執(zhí)行過(guò)程中，或進(jìn)行上下文切換時(shí)，還可能會(huì)涉及到一個(gè)非常重要的內(nèi)容：中斷。 MCU通常具有外設(shè)：TIM、UART、 SPI、 CAN等，它們隨時(shí)都能發(fā)生重要事件以觸發(fā)中斷。 中斷條件是當(dāng)當(dāng)前正在執(zhí)行的線程暫停時(shí)，處理器在一段時(shí)間內(nèi)執(zhí)行其他操作（Handles Interrupt），然后返回。中斷可能隨時(shí)觸發(fā)，我們應(yīng)該做好處理的準(zhǔn)備。 中斷處理程序稱(chēng)為ISR（中斷服務(wù)程序）：中斷可能具有不同的優(yōu)先級(jí)，例如，如果觸發(fā)了一些低優(yōu)先級(jí)的中斷，則當(dāng)前正在執(zhí)行的線程將暫停，并且ISR會(huì)獲得控制權(quán)。然后，如果觸發(fā)了某個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷，則當(dāng)前正在執(zhí)行的ISR將再次暫停，并為該高優(yōu)先級(jí)中斷運(yùn)行一個(gè)新的ISR。 這樣一來(lái)，完成后，控制權(quán)將返回到第一個(gè)ISR，并且在完成時(shí)，也會(huì)恢復(fù)被中斷的線程。 重要的關(guān)鍵代碼：在線程活躍過(guò)程中，如果有重要的事情“關(guān)鍵的代碼”，在這過(guò)程中如果中斷發(fā)生，很容易導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。 這部分關(guān)鍵的代碼，我們需要要保護(hù)起來(lái)，通常我們的做法就是：在之前“關(guān)鍵代碼”之前禁用全局中斷，執(zhí)行完之后，開(kāi)始全局中斷。 有點(diǎn)需要注意：關(guān)閉全局中斷，此時(shí)就不會(huì)相應(yīng)中斷，所以，“關(guān)鍵代碼”不能太長(zhǎng)。

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中斷堆棧

在上面說(shuō)到一點(diǎn)，高優(yōu)先級(jí)中斷搶占低優(yōu)先中斷，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：低優(yōu)先級(jí)的代碼需要和線程一樣，用于保存數(shù)據(jù)的堆棧。 一般有兩種方法：

使用被中斷的線程堆棧；

為中斷使用單獨(dú)的堆?？臻g；

1.使用被中斷的線程堆棧如果使用被中斷的線程堆棧，就類(lèi)似如下圖：

這種情況存在你一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，你知道是什么嗎？ 頻繁中斷，或者中斷較多，線程自身的堆?？臻g就會(huì)很快被使用完。 每個(gè)線程的堆棧都應(yīng)該包含以下內(nèi)容：

線程自己的數(shù)據(jù)；

線程的上下文；

用于執(zhí)行最壞情況的ISR的數(shù)據(jù)。

因此，我們就需要換一種方法，為為所有ISR中斷開(kāi)辟單獨(dú)的堆?？臻g。 2.為中斷使用單獨(dú)的堆?？臻g

為中斷使用單獨(dú)的堆?？臻g大致如上圖所示。 好了，本文講述了上面幾種關(guān)于搶占，以及相關(guān)的內(nèi)容，你學(xué)會(huì)了幾點(diǎn)，又有幾點(diǎn)沒(méi)懂，歡迎留言討論。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：無(wú)MMU搶占式操作系統(tǒng)的搶占工作原理

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