Zephyr學習（五）執行緒和排程
前面說過zephyr支援靜態和動態兩種方式建立執行緒，這裡分析動態建立的方式。應用程式通過呼叫k_thread_create()函式建立一個執行緒，實際上是呼叫_impl_k_thread_create()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\thread.c：
1k_tid_t _impl_k_thread_create(struct k_thread *new_thread,
2k_thread_stack_t *stack,
3size_t stack_size, k_thread_entry_t entry,
4void *p1, void *p2, void *p3,
5int prio, u32_t options, s32_t delay)
6{
7__ASSERT(!_is_in_isr(), "Threads may not be created in ISRs");
8
9_setup_new_thread(new_thread, stack, stack_size, entry, p1, p2, p3,
10prio, options);
11
12if (delay != K_FOREVER) {
13schedule_new_thread(new_thread, delay);
14}
15
16return new_thread;
17 }
第9行，呼叫_setup_new_thread()函式，在開發環境搭建裡已經分析過了。
第12行，傳進來的最後一個引數一般為K_NO_WAIT，即馬上參與排程，所以if條件成立。
第13行，呼叫schedule_new_thread()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\thread.c：
1static void schedule_new_thread(struct k_thread *thread, s32_t delay)
2{
3if (delay == 0) {
4k_thread_start(thread);
5} else {
6s32_t ticks = _TICK_ALIGN + _ms_to_ticks(delay);
7int key = irq_lock();
8
9_add_thread_timeout(thread, NULL, ticks);
10irq_unlock(key);
11}
12 }
第3行，由於K_NO_WAIT的值就為0，所以if條件成立。
第4行，呼叫k_thread_start()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\thread.c：
1void _impl_k_thread_start(struct k_thread *thread)
2{
3int key = irq_lock(); /* protect kernel queues */
4
5if (_has_thread_started(thread)) {
6irq_unlock(key);
7return;
8}
9
10_mark_thread_as_started(thread);
11_ready_thread(thread);
12_reschedule(key);
13 }
第5行，判斷執行緒的狀態是否不為_THREAD_PRESTART，如果是則直接返回。
第10行，清除執行緒的_THREAD_PRESTART狀態。
第11行，前面已經分析過了。
第12行，呼叫_reschedule()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\sched.c：
1int _reschedule(int key)
2{
3if (_is_in_isr()) {
4goto noswap;
5}
6
7if (_get_next_ready_thread() != _current) {
8return _Swap(key);
9}
10
11noswap:
12irq_unlock(key);
13return 0;
14 }
第3行，呼叫_is_in_isr()函式，判斷是否處於中斷上下文，在中斷裡是不允許執行緒切換的，定義在arch\arm\include\kernel_arch_func.h：
#define _is_in_isr() _IsInIsr()
實際上呼叫的是_IsInIsr()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\arch\arm\include\cortex_m\exc.h：
1 static ALWAYS_INLINE int _IsInIsr(void)
2 {
3u32_t vector = __get_IPSR();
4
5/* IRQs + PendSV (14) + SYSTICK (15) are interrupts. */
6return (vector > 13) || (vector && !(SCB->ICSR & SCB_ICSR_RETTOBASE_Msk));
7 }
即IPSR的值（當前中斷號）大於13則認為是處於中斷上下文。
回到_reschedule()函式，第7行，呼叫_get_next_ready_thread()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\include\ksched.h：
static ALWAYS_INLINE struct k_thread *_get_next_ready_thread(void)
{
return _ready_q.cache;
}
前面也說過，_ready_q.cache始終指向的是下一個要投入執行的執行緒。
所以，如果當前執行緒不是下一個要投入的執行緒，那麼第8行，呼叫_Swap()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\include\kswap.h：
1 static inline unsigned int _Swap(unsigned int key)
2 {
3unsigned int ret;
4_update_time_slice_before_swap();
5
6ret = __swap(key);
7
8return ret;
9}
第4行，呼叫_update_time_slice_before_swap()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\sched.c：
void _update_time_slice_before_swap(void)
{
/* Restart time slice count at new thread switch */
_time_slice_elapsed = 0;
}
即將時間片清0，重新開始累加。
回到_Swap()函式，第6行，呼叫__swap()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\arch\arm\core\swap.c：
1 unsigned int __swap(int key)
2 {
3/* store off key and return value */
4_current->arch.basepri = key;
5_current->arch.swap_return_value = _k_neg_eagain;
6
7/* set pending bit to make sure we will take a PendSV exception */
8SCB->ICSR |= SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk;
9
10/* clear mask or enable all irqs to take a pendsv */
11irq_unlock(0);
12
13return _current->arch.swap_return_value;
14}
第4~5行，儲存key和返回值。
第8行，置位pendsv中斷。
第11行，使能中斷，此時就會產生pendsv中斷。
下面分析pendsv中斷的處理流程，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\arch\arm\core\swap_helper.S：
1SECTION_FUNC(TEXT, __pendsv)
2
3/* protect the kernel state while we play with the thread lists */
4
5movs.n r0, #_EXC_IRQ_DEFAULT_PRIO
6msr BASEPRI, r0
7
8/* load _kernel into r1 and current k_thread into r2 */
9ldr r1, =_kernel
10ldr r2, [r1, #_kernel_offset_to_current]
11
12/* addr of callee-saved regs in thread in r0 */
13ldr r0, =_thread_offset_to_callee_saved
14add r0, r2
15
16/* save callee-saved + psp in thread */
17mrs ip, PSP
18
19stmia r0, {v1-v8, ip}
20
21/*
22* Prepare to clear PendSV with interrupts unlocked, but
23* don't clear it yet. PendSV must not be cleared until
24* the new thread is context-switched in since all decisions
25* to pend PendSV have been taken with the current kernel
26* state and this is what we're handling currently.
27*/
28ldr v4, =_SCS_ICSR
29ldr v3, =_SCS_ICSR_UNPENDSV
30
31/* _kernel is still in r1 */
32
33/* fetch the thread to run from the ready queue cache */
34ldr r2, [r1, _kernel_offset_to_ready_q_cache]
35
36str r2, [r1, #_kernel_offset_to_current]
37
38/*
39* Clear PendSV so that if another interrupt comes in and
40* decides, with the new kernel state baseed on the new thread
41* being context-switched in, that it needs to reschedules, it
42* will take, but that previously pended PendSVs do not take,
43* since they were based on the previous kernel state and this
44* has been handled.
45*/
46
47/* _SCS_ICSR is still in v4 and _SCS_ICSR_UNPENDSV in v3 */
48str v3, [v4, #0]
49
50/* Restore previous interrupt disable state (irq_lock key) */
51ldr r0, [r2, #_thread_offset_to_basepri]
52movs.n r3, #0
53str r3, [r2, #_thread_offset_to_basepri]
54
55/* restore BASEPRI for the incoming thread */
56msr BASEPRI, r0
57
58/* load callee-saved + psp from thread */
59add r0, r2, #_thread_offset_to_callee_saved
60ldmia r0, {v1-v8, ip}
61
62msr PSP, ip
63
64/* exc return */
65bx lr
CortexM進入中斷時，CPU會自動將8個暫存器（XPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、R0）壓棧。
第5~6行，相當於呼叫irq_lock()函式。
第9~19行的作用就是將剩下的其他暫存器（R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、PSP）也壓棧。
第28~29行，準備清pendsv中斷標誌。
第34~36行，r2指向下一個要投入執行的執行緒，其中第36行，將_current指向要投入執行的執行緒。
第48行，清pendsv中斷標誌。（不清也可以？）
第51~53行，清要投入執行執行緒的basepri變數的值。
第56行，恢復BASEPRI暫存器的值。
第59~62行，恢復R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、PSP暫存器。
第65行，中斷返回，自動將XPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、R0暫存器彈出，即切換到下一個執行緒。
應用程式也可以呼叫k_yield()函式主動讓出CPU，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\sched.c：
1void _impl_k_yield(void)
2{
3__ASSERT(!_is_in_isr(), "");
4
5if (!_is_idle(_current)) {
6LOCKED(&sched_lock) {
7_priq_run_remove(&_kernel.ready_q.runq, _current);
8_priq_run_add(&_kernel.ready_q.runq, _current);
9update_cache(1);
10}
11}
12
13if (_get_next_ready_thread() != _current) {
14_Swap(irq_lock());
15}
16 }
裡面的函式都已經分析過了，這裡不再重複。
要成功將自己切換出去（讓出CPU）的前提是有優先順序比自己更高的並且已經就緒的執行緒。
接下來看一下執行緒的取消過程。應用程式呼叫k_thread_cancel()函式取消一個執行緒，定義在
zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\thread.c：
1int _impl_k_thread_cancel(k_tid_t tid)
2{
3struct k_thread *thread = tid;
4
5unsigned int key = irq_lock();
6
7if (_has_thread_started(thread) ||
8!_is_thread_timeout_active(thread)) {
9irq_unlock(key);
10return -EINVAL;
11}
12
13_abort_thread_timeout(thread);
14_thread_monitor_exit(thread);
15
16irq_unlock(key);
17
18return 0;
19 }
第7~8行，如果執行緒都沒開始執行過，則返回出錯。如果執行緒不是在等待（延時或者休眠），也返回出錯，即執行緒不能自己取消自己。
第13行，呼叫_abort_thread_timeout()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\include\timeout_q.h：
static inline int _abort_thread_timeout(struct k_thread *thread)
{
return _abort_timeout(&thread->base.timeout);
}
實際上呼叫的是_abort_timeout()函式，定義在zephyr-zephyr-v1.13.0\kernel\include\timeout_q.h：
1static inline int _abort_timeout(struct _timeout *timeout)
2{
3if (timeout->delta_ticks_from_prev == _INACTIVE) {
4return _INACTIVE;
5}
6
7if (!sys_dlist_is_tail(&_timeout_q, &timeout->node)) {
8sys_dnode_t *next_node =
9sys_dlist_peek_next(&_timeout_q, &timeout->node);
10struct _timeout *next = (struct _timeout *)next_node;
11
12next->delta_ticks_from_prev += timeout->delta_ticks_from_prev;
13}
14sys_dlist_remove(&timeout->node);
15timeout->delta_ticks_from_prev = _INACTIVE;
16
17return 0;
18 }
第3行，如果執行緒沒有在延時或者休眠，則返回出錯。
第7行，如果執行緒不是在超時佇列的最後，則if條件成立。
第9行，取出執行緒的下一個節點。
第12行，將下一個節點的延時時間加上要取消的執行緒剩餘的延時時間。
第14行，將執行緒從超時佇列移除。
第15行，將執行緒的delta_ticks_from_prev設為_INACTIVE。
好了，到這裡執行緒的建立、取消和排程過程都分析完了。
搞明白最近這三篇隨筆，也就基本搞懂了zephyr核心的核心內容了，剩下的mutex互斥鎖、工作佇列、訊號量等內容也就比較容易理解了。