簡 介

Azure RTOS ThreadX 是 Microsoft 提供的高級工業級實時操作系統 (RTOS)。它是專門為深度嵌入式實時 IoT 應用程序設計的。Azure RTOS ThreadX 提供高級計劃、通信、同步、計時器、內存管理和中斷管理功能。此外，Azure RTOS ThreadX 具有許多高級功能，包括 picokernel 體系結構、preemption-threshold 計劃、event-chaining、執行分析、性能指標和系統事件跟蹤。Azure RTOS ThreadX 非常易于使用，適用于要求極其苛刻的嵌入式應用程序。Azure RTOS ThreadX 在各種產品（包括消費者設備、醫療電子設備和工業控制設備）上的部署次數已達數十億次。

在前文描述移植基本內核的基礎上，該應用手冊描述了MM32F3270系列MCU結合Azure RTOS ThreadX內存池的使用，引導用戶理解Azure RTOS ThreadX動態內存管理功能。

表 1 適用系列型號

1移植應用的準備

1.1 硬件開發板的準備

該移植過程中應用的開發板為MM32的EVB-F3270，板載MM32F3273G9P。

EVB-F3270 (MM32F3273G9P) 的簡要參數：

Arm Cortex-M3 內核

板載 MM32F3273G9P（LQFP144）

USB Host / Device、SPI、I2C

4 x Key、4 x LED

I2S Speaker

TF-Card

Ethernet PHY

1.2 軟件的準備

庫函數和例程（Lib Samples）

該移植過程中應用的 Firmware 分別為 MM32F3270 庫函數和例程。

? ??

Azure RTOS ThreadX（源碼）

ThreadX 的源代碼已經開放，我們可以從 ThreadX 公共源代碼存儲庫獲取 Azure RTOS ThreadX，網址為：

https://github.com/azure-rtos/threadx/

Azure RTOS 何時需要許可證？

Microsoft 將 Azure RTOS 源代碼發布到 GitHub。安裝和使用該軟件進行內部開發、測試和評估無需許可證。分發或銷售組件和設備需要許可證，除非使用 Azure RTOS 許可的硬件。

ThreadX 安裝

可以通過將 GitHub 存儲庫克隆到本地計算機來安裝 ThreadX。下面是用于在 PC 上創建 ThreadX 存儲庫的克隆的典型語法。

shell復制

git clone https://github.com/azure-rtos/threadx

或者，也可以使用 GitHub 主頁上的“下載”按鈕來下載存儲庫的副本。

下載后的倉庫代碼目錄列表如下：

? ?

Azure RTOS ThreadX（源碼）支持的開發環境

ThreadX 內核提供好了各種主流硬件平臺和軟件平臺的移植文件，以Cortex_M3為例，可以支持以下六種開發環境：

本次移植過程使用Azure RTOS原有的sample_threadx.c文件為例，稍作修改，演示動態內存管理功能。

2ThreadX 動態內存管理的應用

該章節介紹動態內存管理相關知識，演示程序可在MM32F3273G9P的EVB-F3270上運行。此示例在文件 main_malloc_demo.c 中實現，旨在說明如何在嵌入式多線程環境中使用動態內存管理功能。

2.1 動態內存管理

2.1.1 內存塊池

在實時應用程序中，采用快速且確定的方式分配內存始終是一項挑戰?？紤]到這一點，ThreadX 提供了創建和管理多個固定大小的內存塊池的功能。

由于內存塊池由固定大小的塊組成，因此永遠不會出現任何碎片問題。當然，碎片會導致出現本質上不確定的行為。此外，分配和釋放固定大小內存塊所需的時間與簡單的鏈接列表操作所需的時間相當。另外，還可以在可用列表的開頭完成內存塊分配和取消分配。這可以提供最快的鏈接列表處理速度，并且有助于將實際的內存塊保存在緩存中。

缺乏靈活性是固定大小內存池的主要缺點。池的塊大小必須足夠大，才能處理其用戶最壞情況下的內存需求。當然，如果對同一個池發出了許多大小不同的內存請求，則可能會浪費內存。一種可能的解決方案是創建多個不同的內存塊池，這些池包含不同大小的內存塊。

每個內存塊池都是一個公用資源。ThreadX 對如何使用池沒有任何限制。

2.1.1 創建內存塊池

內存塊池由應用程序線程在初始化期間或運行時創建。應用程序中內存塊池的數量沒有限制。

2.1.3 內存塊大小

如前所述，內存塊池包含許多固定大小的塊。塊大?。ㄒ宰止潪閱挝唬┰趧摻ǔ貢r指定。

ThreadX 為池中的每個內存塊增加了少量開銷（C 指針的大?。４送猓琓hreadX 可能需要填充塊大小，從而確保每個內存塊的開頭能夠正確對齊。

2.1.4 池容量

池中的內存塊數是在創建過程中提供的內存區域的塊大小和總字節數的函數。池容量的計算方法是將塊大小（包括填充和指針開銷字節）除以提供的內存區域的總字節數。

2.1.5 池的內存區域

如前所述，塊池的內存區域在創建時指定。與 ThreadX 中的其他內存區域一樣，該區域可以位于目標地址空間的任何位置。

這是一項重要的功能，因為它提供了相當大的靈活性。例如，假設某個通信產品有一個用于 I/O 的高速內存區域。將此內存區域設置為 ThreadX 內存塊池，即可輕松對其進行管理。

2.1.6 線程掛起

在等待空池中的內存塊時，應用程序線程可能會掛起。當塊返回到池時，將為掛起的線程提供此塊，并恢復線程。

如果同一內存塊池中掛起多個線程，這些線程將按掛起的順序 (FIFO) 恢復。

不過，如果應用程序在取消線程掛起的塊釋放調用之前調用 tx_block_pool_prioritize，還可以恢復優先級。塊池設置優先級服務將優先級最高的線程置于掛起列表的前面，讓所有其他掛起的線程采用相同的 FIFO 順序。

2.1.7 運行時塊池性能信息

ThreadX 提供可選的運行時塊池性能信息。如果 ThreadX 庫和應用程序是在定義 TX_BLOCK_POOL_ENABLE_PERFORMANCE_INFO 的情況下生成的，ThreadX 會累積以下信息。

整個系統的總數：

已分配的塊數

已釋放的塊數

分配掛起數

分配超時數

每個塊池的總數：

已分配的塊數

已釋放的塊數

分配掛起數

分配超時數

此信息在運行時通過 tx_block_pool_performance_info_get和 tx_block_pool_performance_system_info_get服務提供。塊池性能信息在確定應用程序是否正常運行時非常有用。此信息對于優化應用程序也很有用。例如，“分配掛起數”相對較高可能表明塊池太小。

2.1.8 內存塊池控制塊 TX_BLOCK_POOL

每個內存塊池的特征都可在其控制塊中找到。該控制塊包含諸如可用的內存塊數和內存池塊大小等信息。此結構在 tx_api.h文件中定義。

池控制塊也可以位于內存中的任意位置，但最常見的是通過在任何函數的作用域外部定義該控件塊來使其成為全局結構。

2.1.9 覆蓋內存塊

務必確保已分配內存塊的用戶不會在其邊界之外寫入。如果發生這種情況，則會損壞其相鄰的內存區域（通常是后續區域）。結果不可預測，且對于應用程序來說通常很嚴重。

2.1.10 內存字節池

內存字節池由應用程序線程在初始化期間或運行時創建。應用程序中內存字節池的數量沒有限制。

2.1.12 池容量

內存字節池中可分配的字節數略小于創建期間指定的字節數。這是因為可用內存區域的管理帶來了一些開銷。池中的每個可用內存塊都需要相當于兩個 C 指針的開銷。此外，創建的池包含兩個塊：一個較大的可用塊和在內存區域末端永久分配的一個較小的塊。這個分配塊用于提高分配算法的性能。這樣就無需在合并期間持續檢查池區域末端。

在運行時，池中的開銷通常會增加。如果分配奇數字節數，系統會加以填充，以確保正確對齊下一個內存塊。此外，隨著池變得更加零碎，開銷也會增加。

2.1.13 池的內存區域

內存字節池的內存區域在創建過程中指定。與 ThreadX 中的其他內存區域一樣，該區域可以位于目標地址空間的任何位置。這是一項重要的功能，因為它提供了相當大的靈活性。例如，如果目標硬件有高速內存區域和低速內存區域，用戶可以通過在每個區域中創建池來管理這兩個區域的內存分配。

2.1.14 線程掛起

在等待池中的內存字節時，應用程序線程可能會掛起。當有足夠的連續內存可用時，將為已掛起的線程提供其請求的內存，并且恢復線程。

如果同一內存字節池中掛起多個線程，則按這些線程掛起的順序 (FIFO) 為其提供內存（恢復）。

不過，如果應用程序在信號燈發出取消線程掛起的字節釋放調用之前調用 tx_byte_pool_prioritize，還可以恢復優先級。字節池設置優先級服務將最高優先級的線程置于掛起列表的前面，讓所有其他掛起的線程采用相同的 FIFO 順序。

2.1.15 運行時字節池性能信息

ThreadX 提供可選的運行時字節池性能信息。如果 ThreadX 庫和應用程序是在定義 TX_BYTE_POOL_ENABLE_PERFORMANCE_INFO 的情況下生成的，ThreadX 會累積以下信息。

整個系統的總數：

分配數

版本

搜索的片段數

合并的片段數

創建的片段數

分配掛起數

分配超時數

每個字節池的總數：

分配數

版本

搜索的片段數

合并的片段數

創建的片段數

分配掛起數

分配超時數

此信息在運行時通過 tx_byte_pool_performance_info_get和 tx_byte_pool_performance_system_info_get 服務提供。字節池性能信息在確定應用程序是否正常運行時非常有用。此信息對于優化應用程序也很有用。例如，“分配掛起數”相對較高可能表明字節池太小。

2.1.16 內存字節池控制塊 TX_BYTE_POOL

每個內存字節池的特征都可在其控制塊中找到。該控制塊包含諸如池中可用的字節數等有用的信息。此結構在 tx_api.h 文件中定義。

池控制塊也可以位于內存中的任意位置，但最常見的是通過在任何函數的作用域外部定義該控件塊來使其成為全局結構。

2.1.17 非確定性行為

盡管內存字節池提供了最靈活的內存分配，但這些池也受一些非確定性行為的影響。例如，內存字節池可能有 2,000 字節的可用內存，但可能無法滿足 1,000 字節的分配請求。這是因為無法保證有多少可用字節是連續的。即使存在 1,000 字節可用塊，也不能保證找到此塊需要多長時間。完全有可能需要搜索整個內存池來查找這個 1,000 字節塊。

由于內存字節池的不確定性行為，通常應避免在需要確定性實時行為的區域中使用內存字節服務。許多應用程序在初始化或運行時配置期間預先分配其所需的內存。

2.1.18 覆蓋內存塊

務必確保已分配內存的用戶不會在其邊界之外寫入。如果發生這種情況，則會損壞其相鄰的內存區域（通常是后續區域）。結果不可預測，且對于程序執行來說通常是災難性的。

2.2 Azure ThreadX 動態內存管理的相關函數

tx_block_allocate分配固定大小的內存塊

UINTtx_block_allocate(
TX_BLOCK_POOL*pool_ptr,
VOID**block_ptr,
ULONGwait_option);

說明

此服務從指定的內存池中分配固定大小的內存塊。內存塊的實際大小是在創建內存池的過程中確定的參數。

pool_ptr：指向之前創建的內存塊池的指針。

block_ptr：指向目標塊指針的指針。成功分配時，已分配內存塊的地址就位于此參數所指向的位置。

wait_option：定義此服務在沒有可用的內存塊時的行為方式。等待選項的定義如下：

TX_NO_WAIT (0x00000000)

如果選擇 TX_NO_WAIT，則無論此服務是否成功，都會導致立即從此服務返回 。如果從非線程（例如初始化、計時器或 ISR）調用服務，則這是唯一有效的選項。

TX_WAIT_FOREVER (0xFFFFFFF)

選擇 TX_WAIT_FOREVER 會導致發出調用的線程無限期掛起，直到內存塊可用為止 。

超時值（0x00000001 至 0xFFFFFFFE）

如果選擇一個數值（1 到 0xFFFFFFFE），則會指定在等待內存塊時發出調用的線程保持掛起的最大計時器時鐘周期數。

返回值

TX_SUCCESS (0x00) 成功分配內存塊。

TX_DELETED (0x01) 線程掛起時刪除了內存塊池。

TX_NO_MEMORY (0x10) 服務無法在指定的等待時間內分配內存塊。

TX_WAIT_ABORTED (0x1A) 掛起狀態由其他線程、計時器或 ISR 中止。

TX_POOL_ERROR：(0x02) 內存塊池指針無效。

TX_WAIT_ERROR：(0x04) 從非線程調用時指定了除 TX_NO_WAIT 以外的等待選項。

TX_PTR_ERROR：(0x03) 指向目標指針的指針無效。

示例

TX_BLOCK_POOLmy_pool;
unsignedchar*memory_ptr;

UINTstatus;

/*Allocateamemoryblockfrommy_pool.Assumethatthepoolhas
alreadybeencreatedwithacalltotx_block_pool_create.*/

status=tx_block_allocate(&my_pool,(VOID**)&memory_ptr,
TX_NO_WAIT);

/*IfstatusequalsTX_SUCCESS,memory_ptrcontainstheaddressof
theallocatedblockofmemory.*/

另請參閱

tx_block_pool_create

tx_block_pool_delete

tx_block_pool_info_get

tx_block_pool_performance_info_get

tx_block_pool_performance_system_info_get

tx_block_pool_prioritize

tx_block_release

tx_byte_allocate

tx_byte_pool_create

tx_byte_pool_delete

tx_byte_pool_info_get

tx_byte_pool_performance_info_get

tx_byte_pool_performance_system_info_get

tx_byte_pool_prioritize

tx_byte_release

2.3 動態內存管理的應用演示

2.3.1 工程目錄的建立

打開目標工程文件夾“MM32F3270Project”：

移除原有樣例.c 文件sample_threadx.c：

參考sample_threadx.c建立main_malloc_demo.c文件，并添加hardware目錄中的led.c、key.c到工程項目中。

注意：

需要在delay.c中配置USE_SYSTICK_DELAY 為 0。

#define USE_SYSTICK_DELAY 0

3ThreadX 的內存管理應用

創建如下幾個任務：

LED1閃爍指示當前系統運行。

按鍵（K1、K2、K3、K4）按下，對應的事件標志置位：

獲取事件標志，執行處理程序：

K1按下，從指定的內存塊池中申請固定大小的內存塊

K2按下，將以前分配的內存塊釋放回其關聯的內存池

K3按下，從指定的內存字節池中分配指定的字節數

K4按下，將以前分配的內存字節數釋放回其關聯的內存池

打印內存池信息

3.1 代碼實現

下載調試默認會運行到main()函數，如下為全部實現的代碼。

Demo演示代碼

/*Thisisasmalldemoofthehigh-performanceThreadXkernel.Itincludesexamplesofsix
threadsofdifferentpriorities,usingamessagequeue,semaphore,andaneventflagsgroup.*/

#include"tx_api.h"
#include"delay.h"
#include"led.h"
#include"key.h"
#include"uart.h"

#defineDEMO_STACK_SIZE1024

#defineTHREAD0_PRIORITY1
#defineTHREAD0_PREEMPTION_THRESHOLD1
#defineTHREAD1_PRIORITY2
#defineTHREAD1_PREEMPTION_THRESHOLD2

#defineTHREAD5_PRIORITY4
#defineTHREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD4
//#defineTHREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD_NEW0


#defineBIT_0((ULONG)0x0000001)
#defineBIT_1((ULONG)0x0000002)
#defineBIT_2((ULONG)0x0000004)
#defineBIT_3((ULONG)0x0000008)
#defineBIT_ALL(BIT_0|BIT_1|BIT_2|BIT_3)

/*DefinetheThreadXobjectcontrolblocks...*/
TX_THREADthread_0;
TX_THREADthread_1;

TX_THREADthread_5;

TX_EVENT_FLAGS_GROUPEventGroup;

TX_BLOCK_POOLMyBlock;
TX_BYTE_POOLMyByte;

/*Definethecountersusedinthedemoapplication...*/
ULONGthread_0_counter;
ULONGthread_1_counter;

ULONGthread_5_counter;

/*Definethethreadstacks.*/
UCHARthread_0_stack[DEMO_STACK_SIZE];
UCHARthread_1_stack[DEMO_STACK_SIZE];

UCHARthread_5_stack[DEMO_STACK_SIZE];

/*Definethreadprototypes.*/

voidthread_0_entry(ULONGthread_input);
voidthread_1_entry(ULONGthread_input);

voidthread_5_entry(ULONGthread_input);


volatileunsignedintbootloop;


uint32_tMyBlockBuf[1024];
uint32_tMyByteBuf[1024];



voidSystem_Init(void);
voidAppThreadCreate(void);
voidAppModuleCreate(void);


/*Definemainentrypoint.*/

intmain()
{
System_Init();

/*EntertheThreadXkernel.*/
tx_kernel_enter();
}


/*Definewhattheinitialsystemlookslike.*/

voidtx_application_define(void*first_unused_memory)
{
AppThreadCreate();
AppModuleCreate();

}

voidSystem_Init(void)
{
DELAY_Init();//cannotusesystick
LED_Init();
KEY_Init();
CONSOLE_Init(115200);
printf("!!!Start!!!
");

}

voidAppThreadCreate(void)
{
/*Createthread0.*/
tx_thread_create(
&thread_0,
"thread0",
thread_0_entry,
0,
thread_0_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD0_PRIORITY,
THREAD0_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);

/*Createthread1.*/
tx_thread_create(
&thread_1,
"thread1",
thread_1_entry,
0,
thread_1_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD1_PRIORITY,
THREAD1_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);


/*Createthread5.*/
tx_thread_create(
&thread_5,
"thread5",
thread_5_entry,
5,
thread_5_stack,
DEMO_STACK_SIZE,
THREAD5_PRIORITY,
THREAD5_PREEMPTION_THRESHOLD,
TX_NO_TIME_SLICE,
TX_AUTO_START);

}

voidAppModuleCreate(void)
{
/*Createsamemoryblockforapplyingforafixed-sizememoryunit*/
tx_block_pool_create(&MyBlock,
"MyBlock",
4,/*Thesizeofthememoryunit*/
(VOID*)MyBlockBuf,/*Memoryblockaddress,ensure4-bytealignment*/
sizeof(MyBlockBuf));/*Memoryblocksize,inbytes*/
/*Createamemorypool*/
tx_byte_pool_create(&MyByte,
"MyByte",
(VOID*)MyByteBuf,/*Memorypooladdress,ensure4-bytealignment*/
sizeof(MyByteBuf));/*Memorypoolsize*/
/*Createaneventflaggroup*/
tx_event_flags_create(&EventGroup,"EventGroupName");
}


/*Definethetestthreads.*/
voidthread_0_entry(ULONGthread_input)
{
/*ThisthreadsimplycontrolsLEDflashingtoindicatethatthesystemisrunning*/
while(1)
{
/*Incrementthethreadcounter.*/
thread_0_counter++;

LED1_TOGGLE();

/*Sleepfor300ticks.*/
tx_thread_sleep(300);

}
}

voidthread_1_entry(ULONGthread_input)
{
UCHAR*BlockPtr;
UCHAR*BytePtr;
ULONGavailable;

ULONGactual_events;
UINTstatus;

while(1)
{
/*Incrementthethreadcounter.*/
thread_1_counter++;
status=tx_event_flags_get(&EventGroup,
BIT_ALL,
TX_OR_CLEAR,
&actual_events,
TX_WAIT_FOREVER);
if(status==TX_SUCCESS)
{
switch(actual_events)
{
caseBIT_0:
/*Applyformemoryblocksof4byteseachtime*/
status=tx_block_allocate(&MyBlock,
(VOID**)&BlockPtr,
TX_NO_WAIT);
if(status==TX_SUCCESS)
{
printf("Succeededinapplyingforamemoryblock.
");
tx_block_pool_info_get(&MyBlock,
TX_NULL,
&available,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL);
printf("NumberofblocksavailableinMyBlock=%d
",(int)available);
}
break;
caseBIT_1:
status=tx_block_release(BlockPtr);
if(status==TX_SUCCESS)
{
printf("Thememoryblockwasreleasedsuccessfully.
");
tx_block_pool_info_get(&MyBlock,
TX_NULL,
&available,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL);
printf("NumberofblocksavailableinMyBlock=%d
",(int)available);
}
break;
caseBIT_2:
/*Applyforamemorybytepool,specifying100bytes*/
status=tx_byte_allocate(&MyByte,
(VOID**)&BytePtr,
100,
TX_NO_WAIT);
if(status==TX_SUCCESS)
{
printf("Succeededinapplyingforthememorybytepool.
");
tx_byte_pool_info_get(&MyByte,
TX_NULL,
&available,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL);
printf("TheavailableMyBytesize=%dbytes.
",(int)available);
}
break;
caseBIT_3:
status=tx_byte_release(BytePtr);
if(status==TX_SUCCESS)
{
printf("Thememorybytepoolwasreleasedsuccessfully.
");
tx_byte_pool_info_get(&MyByte,
TX_NULL,
&available,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL,
TX_NULL);
printf("TheavailableMyBytesize=%dbytes.
",(int)available);
}
break;
default:
break;
}

}
}
}


voidthread_5_entry(ULONGthread_input)
{
UCHARt=0;
/*Thisthreadsimplyscanbuttonispressedtosendthesemaphore.*/
while(1)
{
/*Incrementthethreadcounter.*/
thread_5_counter++;
t=KEY_Scan(0);
if(KEY1_PRES==t)
{
//LED1_TOGGLE();
tx_event_flags_set(&EventGroup,BIT_0,TX_OR);
}
elseif(KEY2_PRES==t)
{
//LED2_TOGGLE();
tx_event_flags_set(&EventGroup,BIT_1,TX_OR);
}
elseif(KEY3_PRES==t)
{
//LED3_TOGGLE();
tx_event_flags_set(&EventGroup,BIT_2,TX_OR);
}
elseif(KEY4_PRES==t)
{
//LED4_TOGGLE();
tx_event_flags_set(&EventGroup,BIT_3,TX_OR);
}
else
{
tx_thread_sleep(10);
}
}
}

3.2 下載與調試

運行程序，板載LED1閃爍。觀察串口調試助手，依次按下K1、K2、K3、K4鍵，串口打印信息：

創建事件標志組初始化為零，用于任務同步。任務5執行按鍵掃描，當按鍵按下時通過tx_event_flags_set設置事件標志。任務1通過tx_event_flags_get用于檢索事件標志，執行對應的處理程序，其中K1進行內存塊申請，K2進行內存塊釋放，K3用于內存字節申請，K4用于內存字節釋放，觀測串口打印信息，Demo演示成功。

按下K3從MyByte內存池中申請分配了100個字節，還有3980字節可用，而按下K4釋放后變成了4088字節可用，前后差值為108個字節，為什么多了8個字節？感興趣的同學可以思考一下，找找答案！

4小結

Azure RTOS ThreadX提供內存池能夠以快速且確定的方式分配內存，結合MM32F3270的強大性能，可以實現Azure RTOS廣泛的應用場景。

審核編輯：湯梓紅