一個開源的RTOS的Chibios的評測

1.Chibios介紹

1.1 chibios是什么？

1.2 chibios的特點(diǎn)

2.chibios的工程組織

2.1 ChibiOS/RT

2.2 ChibiOS/NIL

2.3 ChibiOS/LIB

2.4 ChibiOS/SB

2.5 ChibiOS/HAL

2.6 ChibiStudio

3.RTOS設(shè)計思想淺析

3.1 中斷處理

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)

3.3 調(diào)度機(jī)制

3.4 線程工作空間

4.在樹莓派上真實(shí)體驗(yàn)效果

5.總結(jié)

1.Chibios介紹

1.1 chibios是什么？

chibios的作者是Giovanni Di Sirio。chibi這個名稱在日語是小孩的意思，所以ChibiOS (ちびOS)也被可以理解成小型的操作系統(tǒng)。官網(wǎng)鏈接如下：

http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php

ChibiOS / RT于2007年9月份在SourceForge公開發(fā)布。由于作者對當(dāng)時現(xiàn)有的RTOS的不滿，所以寫了這個系統(tǒng)，作者心目中的RTOS應(yīng)該是：

優(yōu)雅

快速

小

靜態(tài)的

這些也是chibios的核心思想與系統(tǒng)的特點(diǎn)。所以專注于代碼的優(yōu)美性和一致性，以及內(nèi)存的靜態(tài)使用、確定性、強(qiáng)大的抽象功能，都是這個系統(tǒng)關(guān)鍵的特性。

1.2 chibios的特點(diǎn)

隨著芯片性能和功能的不斷完善，資源的管理也變得十分復(fù)雜。就目前來說，已經(jīng)出現(xiàn)了很多的嵌入式操作系統(tǒng)來進(jìn)行這些資源的管理和使用。現(xiàn)在來分析一個GPL3協(xié)議的開源RTOS，chibios的使用。ChibiOS/RT是為了8、16和32位微控制器而設(shè)計的。該RTOS其內(nèi)存的占用和運(yùn)行效率是項目至始至終優(yōu)化的方向。

在STM32（Cortex-M3，72MHz）上，一個典型的ChibiOS/RT實(shí)例會占用1.2kB到5.5kB的空間。內(nèi)核每秒可以創(chuàng)建和終止220000多個線程，而且能在1.2微秒內(nèi)完成一次線程切換。隨著每一個架構(gòu)移植的發(fā)布，ChibiOS的性能測試數(shù)據(jù)都會被照例公布。

ChibiOS/RT的小型內(nèi)核支持：

搶占性多任務(wù)

128個優(yōu)先級

同優(yōu)先級線程按照時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度

軟件定時器

計數(shù)信號量

支持優(yōu)先級繼承的自旋鎖

同步和異步信息，以及消息隊列

事件標(biāo)志和處理函數(shù)

支持的同步I/O和帶超時的異步I/O

線程安全的堆或內(nèi)存池分配器

支持多種底層硬件的硬件抽象層

支持lwIP和uIP協(xié)議棧

支持FatFS文件系統(tǒng)

所有的系統(tǒng)對象，比如線程、信號量等都能在運(yùn)行時創(chuàng)建或者刪除。除了可用內(nèi)存的限制之外沒有內(nèi)核對象創(chuàng)建數(shù)量上限。為了增強(qiáng)可靠性，整個內(nèi)核本身是靜態(tài)編譯的，并且不需要一個動態(tài)內(nèi)存分配器；內(nèi)核中也沒有表或者數(shù)組的上限。整個系統(tǒng)的API設(shè)計中不包含諸如錯誤碼或者異常一類的錯誤狀況。

2.chibios的工程組織

一個chibios的工程主要包含以下幾個獨(dú)立的工程，分別為RT、NIL、OSLIB、SB、HAL、EX、ChibiStudio。下面我們來單獨(dú)敘述每個部分的功能和作用。

2.1 ChibiOS/RT

該設(shè)計是為功能完備的RTOS設(shè)計的，出發(fā)點(diǎn)在于性能完善和代碼量大小合適。

主要的特點(diǎn)：

高性能

靜態(tài)的體系結(jié)構(gòu)

強(qiáng)大的調(diào)試功能

代碼庫清理

與CMSIS RTOS的兼容性比較好

2.2 ChibiOS/NIL

NIL的設(shè)計思想是適合資源非常小的設(shè)備。

主要的特點(diǎn)：

系統(tǒng)很小，最小配置可以在低于1KB的ram上運(yùn)行。

小的內(nèi)存管理，小的線程，信號量管理

全靜態(tài)的架構(gòu)

2.3 ChibiOS/LIB

作為一個額外的庫，可以被ChibiOS/RT與ChibiOS/NIL共同使用，是操作系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。主要的功能如下：

1.二值信號量

2.郵箱

3.fifo

4.動態(tài)線程

5.內(nèi)存堆管理

6.內(nèi)存池管理

2.4 ChibiOS/SB

該擴(kuò)展主要是針對 Cortex-M3, M4 and M7內(nèi)核。其主要的作用是可以讓應(yīng)用獨(dú)立的運(yùn)行在一個沙盒里。

這種沙盒應(yīng)用是支持兩種，一種是靜態(tài)的內(nèi)存，一種是動態(tài)的內(nèi)存。

2.5 ChibiOS/HAL

系統(tǒng)的硬件抽象層，該抽象層可以讓系統(tǒng)和驅(qū)動進(jìn)行很好的對接，應(yīng)用程序使用起來更加容易。主要特定：

將硬件抽象出來，應(yīng)用程序可以不用管驅(qū)動的具體實(shí)現(xiàn)

支持大多數(shù)的MCU外設(shè)

能夠支持RT和NIL

方便移植

2.6 ChibiStudio

一個基于ARM的開發(fā)環(huán)境的IDE，支持編譯、下載和運(yùn)行。

3.RTOS設(shè)計思想淺析

要想弄清楚這個系統(tǒng)的功能，就必須理解RTOS的核心。下面從中斷處理、系統(tǒng)狀態(tài)、調(diào)度，工作空間四個方面來理解Chibios。

3.1 中斷處理

在Chibios中，有三種類型的中斷。

Regular Interrupts:也就是定期中斷，這種中斷模式下，可屏蔽的中斷源不能被搶占，但是需要按照特定的規(guī)則來編寫這種中斷的處理函數(shù)。

Fast Interrupts:可以快速相應(yīng)的中斷，可搶占資源。

Non Maskable Interrupts:系統(tǒng)中正常的中斷處理。

在RTOS中，比較關(guān)鍵的地方就是確定性與穩(wěn)定性。確定性一般就是表示處理中斷的時間盡可能短而且時間可預(yù)測，一定程度上，中斷響應(yīng)時間也是評判一個RTOS的性能的重要指標(biāo)。

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)

系統(tǒng)RTOS在使用時，每個線程都會處于各種狀態(tài)。用下面的一張圖例來進(jìn)行表示：

Init:系統(tǒng)初始化階段，這個階段中，所有可屏蔽的中斷都無法響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)處于該狀態(tài)時，除了chSysInit()可以被調(diào)用，其他的API都無法被使用。

Normal:正常狀態(tài)，當(dāng)前狀態(tài)下所有的系統(tǒng)中斷可以響應(yīng)，并且線程正常的運(yùn)行。

Suspended:系統(tǒng)掛起狀態(tài)，這種狀態(tài)下，只有FIQ可以響應(yīng)，普通的中斷不能響應(yīng)，并且不能使用chSysDisable（）或chSysEnable（）之外的任何系統(tǒng)API來更改狀態(tài)。

Disabled:系統(tǒng)處于該狀態(tài)時，所有的中斷都不能被響應(yīng)，無法使用chSysSuspend（）或chSysEnable（）之外的任何系統(tǒng)API來更改狀態(tài)。

Sleep:與體系架構(gòu)相關(guān)的低功耗模式，空閑線程進(jìn)入該模式后，等待事件重新喚醒變成Normal狀態(tài)。

S-Locked:內(nèi)核已鎖定，常規(guī)中斷源已禁用。快速中斷源使能。在這種狀態(tài)下可以調(diào)用S類和I類API。

I-Locked:內(nèi)核被鎖定，常規(guī)中斷源被禁用。I-Class API可從此狀態(tài)調(diào)用。

SRI:全稱為Serving Regular Interrupt，不能訪問任何系統(tǒng)API，但是可以使用chSysLockFromIsr（）切換到I-Locked狀態(tài)，然后調(diào)用任何I-Class API。中斷處理程序在某些體系結(jié)構(gòu)上可以搶占，因此在調(diào)用系統(tǒng)API之前切換到I鎖定狀態(tài)非常重要。

3.3 調(diào)度機(jī)制

在理解調(diào)度機(jī)制之前，先看看線程的狀態(tài)。

基本上在大部分的RTOS的設(shè)計上，線程的狀態(tài)都是這些。在執(zhí)行調(diào)度策略的時候，也是非常簡單，就是將高優(yōu)先級的線程掛載在調(diào)度器的雙向鏈表上，按照優(yōu)先級的高低進(jìn)行，數(shù)字越小，優(yōu)先級越低。

如果有同等優(yōu)先級，則按照時間片輪循的方式進(jìn)行。

3.4 線程工作空間

和其他RTOS類似，線程都會有字節(jié)的棧空間。

系統(tǒng)進(jìn)行搶占時，會進(jìn)行當(dāng)前線程的壓棧和需要執(zhí)行的線程的出棧操作。

4.在樹莓派上真實(shí)體驗(yàn)效果

說再多也不如真機(jī)上進(jìn)行測試得到的感悟更加的深刻。現(xiàn)在為了體驗(yàn)效果，可以在樹莓派2/樹莓派3上進(jìn)行測試。目前為了方便調(diào)試，先采用qemu進(jìn)行模擬仿真。在qemu上運(yùn)行的程序再移植到真實(shí)的樹莓派硬件上，基本上問題不大。

本次的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Ubuntu18.04，需要安裝配置好arm-none-eabi-gcc，以及安裝好qemu。也可以在Windows環(huán)境中進(jìn)行測試。

首先需要準(zhǔn)備代碼，當(dāng)前的代碼倉庫在

https://gitee.com/bigmagic/ChibiOS-RPi

將代碼clone出來后，進(jìn)入ChibiOS-RPi/demos/ARM11-BCM2835-GCC目錄，輸入make開始編譯代碼。

編譯完成后，可以看到在ChibiOS-RPi/demos/ARM11-BCM2835-GCCuild目錄生成了ch.elf文件以及ch.bin文件。如果要在真機(jī)上運(yùn)行，可以將ch.bin修改成kernel.img，然后下載

https://gitee.com/bigmagic/raspi_sd_fw/tree/master/raspi3/raspi3-32/sd_boot_rtt

中的文件，將kernel7.img刪除，并且將kernel.img放入。將這些文件放到SD卡中即可。通過串口可以看到輸出信息。

在qemu上運(yùn)行的時候，只需要輸入

qemu-system-arm-Mraspi2-m1024M-smp4-serialnull-serialstdio-kernelch.elf

這樣就可以在屏幕上看到Chibios的控制臺了。

當(dāng)出現(xiàn)控制臺界面時，輸入info可以看到當(dāng)前硬件信息。

5.總結(jié)

本文簡單的介紹了一下Chibios的基本情況和在樹莓派上運(yùn)行該系統(tǒng)。從RTOS的角度上來說，該rtos的設(shè)計思想值得學(xué)習(xí)。其實(shí)看一個RTOS的優(yōu)劣好壞，不僅僅在于使用的是否上手容易，而在于系統(tǒng)的設(shè)計是否友好，是否穩(wěn)定，也需要有足夠的性能。做嵌入式底層開發(fā)和做RTOS開發(fā)，不應(yīng)該只是局限于使用一個RTOS，也不應(yīng)該只關(guān)注上層的業(yè)務(wù)邏輯。一個好的應(yīng)用，必須是有足夠的深度和高度，不斷的優(yōu)化設(shè)計。當(dāng)前，有許多的RTOS可以被使用，有很多系統(tǒng)都有自己值得學(xué)習(xí)和研究的地方。因?yàn)榍度胧絉TOS的靈活性很大，不同的業(yè)務(wù)場景也需要不同的需求，或者每個系統(tǒng)都會有其行業(yè)的特殊性，但是萬變不離其宗，了解各個系統(tǒng)的特性，是很值得去學(xué)習(xí)的。

Chibios的一些具體的細(xì)節(jié)我還沒有研究的很深刻，我覺得sandbox是一項很有意思的功能，將系統(tǒng)的應(yīng)用程序獨(dú)立的在空間中運(yùn)行，這就很值得去看。另外這個系統(tǒng)的主要還是應(yīng)用在小的單片機(jī)上，我現(xiàn)在還沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)去展示，等一段時間后，可以看看這個系統(tǒng)的評測結(jié)果。

責(zé)任編輯：YYX