鴻蒙內(nèi)核源碼分析(CPU篇) | 內(nèi)核是如何描述CPU的 ?

作者：HarmonyOS技術(shù)社區(qū) 2021-04-08 09:32:17

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本篇說清楚CPU

cpu是負(fù)責(zé)執(zhí)行指令的,誰能給它指令?是線程(也叫任務(wù)), 任務(wù)是內(nèi)核的調(diào)度單元,調(diào)度到哪個(gè)任務(wù)CPU就去執(zhí)行哪個(gè)任務(wù)的指令. 要執(zhí)行指令就要有個(gè)取指令的開始地址. 開始地址就是大家所熟知的main函數(shù).一個(gè)程序被加載解析后內(nèi)核會(huì)在ELF中找到main函數(shù)的位置,并自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)線程,指定線程的入口地址為main函數(shù)的地址,由此開始了取指,譯指,執(zhí)指之路.

多線程內(nèi)核是怎么處理的? 一樣的, 以JAVA舉例,對(duì)內(nèi)核來說 new thread中的run() 函數(shù) 和 main() 并沒有區(qū)別. 都是一個(gè)線程(任務(wù))的執(zhí)行入口. 注意在系列篇中反復(fù)的說任務(wù)就是線程,線程就是任務(wù),它們是一個(gè)東西在不同層面上的描述.對(duì)應(yīng)用層說線程,對(duì)內(nèi)核層說任務(wù). 有多少個(gè)線程就會(huì)有多少個(gè)入口,它們統(tǒng)一接受調(diào)度算法的調(diào)度, 調(diào)度算法只認(rèn)優(yōu)先級(jí)的高低,不會(huì)管你是main() 還是 run() 而區(qū)別對(duì)待.

定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)也是通過任務(wù)實(shí)現(xiàn)的,只不過是個(gè)系統(tǒng)任務(wù)OsSwtmrTaskCreate,優(yōu)先級(jí)最高,和入口地址OsSwtmrTask由系統(tǒng)指定.

所以理解CPU就要先理解任務(wù),任務(wù)是理解內(nèi)核的主線,把它搞明白了分析內(nèi)核就輕輕松松,事半功倍了.看似高深的CPU只不過是摟草打兔子.

不相信?那就看看內(nèi)核對(duì)CPU是怎么描述的吧.本篇就圍繞這個(gè)結(jié)構(gòu)體展開說.

內(nèi)核如何描述CPU?

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typedef struct {//內(nèi)核對(duì)cpu的描述 
    SortLinkAttribute taskSortLink;             /* task sort link */    //task wait/delay 排序鏈表 
    SortLinkAttribute swtmrSortLink;            /* swtmr sort link */   //定時(shí)器排序鏈表 
    UINT32 idleTaskID;                          /* idle task id */      //空閑任務(wù)ID 見于 OsIdleTaskCreate 
    UINT32 taskLockCnt;                         /* task lock flag */    //任務(wù)鎖的數(shù)量,當(dāng) > 0 的時(shí)候,需要重新調(diào)度了 
    UINT32 swtmrHandlerQueue;                   /* software timer timeout queue id */   //軟時(shí)鐘超時(shí)隊(duì)列句柄 
    UINT32 swtmrTaskID;                         /* software timer task id */    //軟時(shí)鐘任務(wù)ID 
    UINT32 schedFlag;                           /* pending scheduler flag */    //調(diào)度標(biāo)識(shí) INT_NO_RESCH INT_PEND_RESCH 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) 
    UINT32 excFlag;                             /* cpu halt or exc flag */  //CPU處于停止或運(yùn)行的標(biāo)識(shí) 
#endif 
} Percpu;

結(jié)構(gòu)體不復(fù)雜,但很重要,一個(gè)一個(gè)掰開了說.

● taskSortLink是干什么用的? 一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行過程中,會(huì)經(jīng)常會(huì)主動(dòng)或被動(dòng)中斷,而進(jìn)入等待狀態(tài).

◊ 主動(dòng)中斷情況, 例如:主動(dòng)delay300毫秒,這是應(yīng)用層很常見的操作.

◊ 被動(dòng)中斷情況, 例如:申請(qǐng)互斥鎖失敗,等待某個(gè)事件發(fā)生等等. 發(fā)生這些情況時(shí)任務(wù)將被掛到taskSortLink上.

UINT32 OsTaskWait(LOS_DL_LIST *list, UINT32 timeout, BOOL needSched) 
{ 
    LosTaskCB *runTask = NULL; 
    LOS_DL_LIST *pendObj = NULL; 
 
    runTask = OsCurrTaskGet();//獲取當(dāng)前任務(wù) 
    OS_TASK_SCHED_QUEUE_DEQUEUE(runTask, OS_PROCESS_STATUS_PEND);//將任務(wù)從就緒隊(duì)列摘除,并變成阻塞狀態(tài) 
    pendObj = &runTask->pendList; 
    runTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_PEND;//給任務(wù)貼上阻塞任務(wù)標(biāo)簽 
    LOS_ListTailInsert(list, pendObj);//將阻塞任務(wù)掛到list上,,這步很關(guān)鍵,很重要! 
    if (timeout != LOS_WAIT_FOREVER) {//非永遠(yuǎn)等待的時(shí)候 
        runTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_PEND_TIME;//阻塞任務(wù)再貼上在一段時(shí)間內(nèi)阻塞的標(biāo)簽 
        OsAdd2TimerList(runTask, timeout);//把任務(wù)加到定時(shí)器鏈表中 
    } 
 
    if (needSched == TRUE) {//是否需要調(diào)度 
        OsSchedResched();//申請(qǐng)調(diào)度,里面直接切換了任務(wù)上下文,至此任務(wù)不再往下執(zhí)行了. 
        if (runTask->taskStatus & OS_TASK_STATUS_TIMEOUT) {//這條語句是被調(diào)度再次選中時(shí)執(zhí)行的,和上面的語句可能隔了很長(zhǎng)時(shí)間,所以很可能已經(jīng)超時(shí)了 
            runTask->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_TIMEOUT;//如果任務(wù)有timeout的標(biāo)簽,那么就去掉那個(gè)標(biāo)簽 
            return LOS_ERRNO_TSK_TIMEOUT; 
        } 
    } 
    return LOS_OK; 
} 
LITE_OS_SEC_TEXT STATIC INLINE VOID OsAdd2TimerList(LosTaskCB *taskCB, UINT32 timeOut) 
{ 
    SET_SORTLIST_VALUE(&taskCB->sortList, timeOut);//設(shè)置idxRollNum的值為timeOut 
    OsAdd2SortLink(&OsPercpuGet()->taskSortLink, &taskCB->sortList);//將任務(wù)掛到定時(shí)器排序鏈表上 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)//注意:這里的排序不是傳統(tǒng)意義上12345的排序,而是根據(jù)timeOut的值來決定放到CPU core哪個(gè)taskSortLink[0:7]鏈表上 
    taskCB->timerCpu = ArchCurrCpuid(); 
#endif 
}

`OsAdd2SortLink`,將任務(wù)掛到排序鏈表上,因等待時(shí)間不一樣,所以內(nèi)核會(huì)對(duì)這些任務(wù)按時(shí)間長(zhǎng)短排序.

● 定時(shí)器相關(guān)三個(gè)變量,在系列篇定時(shí)器機(jī)制篇中已有對(duì)定時(shí)器的詳細(xì)描述,可前往查看.

SortLinkAttribute swtmrSortLink;//CPU要處理的定時(shí)器鏈表 
UINT32 swtmrHandlerQueue; //隊(duì)列中放各個(gè)定時(shí)器的響應(yīng)函數(shù) 
UINT32 swtmrTaskID; // 其實(shí)就是 OsSwtmrTaskCreate

搞明白定時(shí)器的機(jī)制只需搞明白: 定時(shí)器(SWTMR_CTRL_S),定時(shí)任務(wù)(swtmrTaskID),定時(shí)器響應(yīng)函數(shù)

(SwtmrHandlerItem),定時(shí)器處理隊(duì)列swtmrHandlerQueue 四者的關(guān)系就可以了. 一句話概括:定時(shí)任務(wù)swtmrTaskID是個(gè)系統(tǒng)任務(wù),優(yōu)先級(jí)最高,它循環(huán)讀取隊(duì)列swtmrHandlerQueue中的已到時(shí)間的定時(shí)器(SWTMR_CTRL_S),并執(zhí)行定時(shí)器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)SwtmrHandlerItem.

● idleTaskID空閑任務(wù),注意這又是個(gè)任務(wù),每個(gè)cpu核都有屬于自己的空閑任務(wù),cpu沒事干的時(shí)候就待在里面.空閑任務(wù)長(zhǎng)什么樣? Look!

LITE_OS_SEC_TEXT WEAK VOID OsIdleTask(VOID) 
{ 
    while (1) {//只有一個(gè)死循環(huán) 
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS //低功耗模式開關(guān), idle task 中關(guān)閉tick 
    if (OsTickIrqFlagGet()) { 
        OsTickIrqFlagSet(0); 
        OsTicklessStart(); 
    } 
    #endif 
        Wfi();//WFI指令:arm core 立即進(jìn)入low-power standby state，等待中斷，進(jìn)入休眠模式。 
    } 
} 
 
一個(gè)死循環(huán),只有一條匯編指令`Wfi`. 啥意思? 
`WFI`(Wait for interrupt):等待中斷到來指令. `WFI`一般用于cpuidle,WFI 指令是在處理器發(fā)生中斷或類似異常之前不需要做任何事情。具體在[鴻蒙內(nèi)核源碼分析(總目錄)](https://my.oschina.net/u/3751245/blog/4626852)自旋鎖篇中有詳細(xì)描述,可前往查看.

● taskLockCnt 這個(gè)很簡(jiǎn)單,記錄等鎖的任務(wù)數(shù)量.任務(wù)在運(yùn)行過程中優(yōu)先級(jí)是會(huì)不斷地變化的, 例如高優(yōu)先級(jí)的A任務(wù)在等某鎖,但持有鎖的一方B任務(wù)優(yōu)先級(jí)低,這時(shí)就會(huì)調(diào)高B的優(yōu)先級(jí)至少到A的等級(jí),提高B被調(diào)度算法命中的概率,如此就能快速的釋放鎖交給A運(yùn)行. taskLockCnt記錄被CPU運(yùn)行過的正在等鎖的任務(wù)數(shù)量.

● schedFlag 調(diào)度的標(biāo)簽.

typedef enum { 
INT_NO_RESCH = 0,   /* no needs to schedule *///不需要調(diào)度 
INT_PEND_RESCH,     /* pending schedule flag *///阻止調(diào)度 
} SchedFlag;

調(diào)度并不是每次都能成功的,在某些情況下內(nèi)核會(huì)阻止調(diào)度進(jìn)行.例如:OS_INT_ACTIVE硬中斷發(fā)生的時(shí)候.

STATIC INLINE VOID LOS_Schedule(VOID) 
{ 
    if (OS_INT_ACTIVE) {//發(fā)生硬件中斷,調(diào)度被阻塞 
        OsPercpuGet()->schedFlag = INT_PEND_RESCH;// 
        return; 
    } 
    OsSchedPreempt();//搶占式調(diào)度 
}

● excFlag標(biāo)識(shí)CPU的運(yùn)行狀態(tài),只在多核CPU下可見.

#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) 
typedef enum { 
    CPU_RUNNING = 0,   /* cpu is running */     //CPU正在運(yùn)行狀態(tài) 
    CPU_HALT,          /* cpu in the halt */    //CPU處于暫停狀態(tài) 
    CPU_EXC            /* cpu in the exc */     //CPU處于異常狀態(tài) 
} ExcFlag; 
#endif