鸿蒙内核源码分析(CPU篇) | 内核是如何描述CPU的 ?

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本篇说清楚CPU

cpu是负责执行指令的,谁能给它指令?是线程(也叫任务), 任务是内核的调度单元,调度到哪个任务CPU就去执行哪个任务的指令. 要执行指令就要有个取指令的开始地址. 开始地址就是大家所熟知的main函数.一个程序被加载解析后内核会在ELF中找到main函数的位置,并自动创建一个线程,指定线程的入口地址为main函数的地址,由此开始了取指,译指,执指之路.

多线程内核是怎么处理的? 一样的, 以JAVA举例,对内核来说 new thread中的run() 函数 和 main() 并没有区别. 都是一个线程(任务)的执行入口. 注意在系列篇中反复的说任务就是线程,线程就是任务,它们是一个东西在不同层面上的描述.对应用层说线程,对内核层说任务. 有多少个线程就会有多少个入口,它们统一接受调度算法的调度, 调度算法只认优先级的高低,不会管你是main() 还是 run() 而区别对待.

定时器的实现也是通过任务实现的,只不过是个系统任务OsSwtmrTaskCreate,优先级最高,和入口地址OsSwtmrTask由系统指定.

所以理解CPU就要先理解任务,任务是理解内核的主线,把它搞明白了分析内核就轻轻松松,事半功倍了.看似高深的CPU只不过是搂草打兔子.

不相信?那就看看内核对CPU是怎么描述的吧.本篇就围绕这个结构体展开说.

内核如何描述CPU?

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typedef struct {//内核对cpu的描述 
    SortLinkAttribute taskSortLink;                 //task wait/delay 排序链表 
    SortLinkAttribute swtmrSortLink;               //定时器排序链表 
    UINT32 idleTaskID;                                //空闲任务ID 见于 OsIdleTaskCreate 
    UINT32 taskLockCnt;                             //任务锁的数量,当 > 0 的时候,需要重新调度了 
    UINT32 swtmrHandlerQueue;                      //软时钟超时队列句柄 
    UINT32 swtmrTaskID;                             //软时钟任务ID 
    UINT32 schedFlag;                               //调度标识 INT_NO_RESCH INT_PEND_RESCH 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) 
    UINT32 excFlag;                               //CPU处于停止或运行的标识 
#endif 
} Percpu; 

结构体不复杂,但很重要,一个一个掰开了说.

● taskSortLink是干什么用的? 一个任务在运行过程中,会经常会主动或被动中断,而进入等待状态.

◊ 主动中断情况, 例如:主动delay300毫秒,这是应用层很常见的操作.

◊ 被动中断情况, 例如:申请互斥锁失败,等待某个事件发生 等等. 发生这些情况时任务将被挂到taskSortLink上.

UINT32 OsTaskWait(LOS_DL_LIST *list, UINT32 timeout, BOOL needSched) 
{ 
    LosTaskCB *runTask = NULL; 
    LOS_DL_LIST *pendObj = NULL; 
 
    runTask = OsCurrTaskGet();//获取当前任务 
    OS_TASK_SCHED_QUEUE_DEQUEUE(runTask, OS_PROCESS_STATUS_PEND);//将任务从就绪队列摘除,并变成阻塞状态 
    pendObj = &runTask->pendList; 
    runTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_PEND;//给任务贴上阻塞任务标签 
    LOS_ListTailInsert(list, pendObj);//将阻塞任务挂到list上,,这步很关键,很重要! 
    if (timeout != LOS_WAIT_FOREVER) {//非永远等待的时候 
        runTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_PEND_TIME;//阻塞任务再贴上在一段时间内阻塞的标签 
        OsAdd2TimerList(runTask, timeout);//把任务加到定时器链表中 
    } 
 
    if (needSched == TRUE) {//是否需要调度 
        OsSchedResched();//申请调度,里面直接切换了任务上下文,至此任务不再往下执行了. 
        if (runTask->taskStatus & OS_TASK_STATUS_TIMEOUT) {//这条语句是被调度再次选中时执行的,和上面的语句可能隔了很长时间,所以很可能已经超时了 
            runTask->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_TIMEOUT;//如果任务有timeout的标签,那么就去掉那个标签 
            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);//设置idxRollNum的值为timeOut 
    OsAdd2SortLink(&OsPercpuGet()->taskSortLink, &taskCB->sortList);//将任务挂到定时器排序链表上 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)//注意:这里的排序不是传统意义上12345的排序,而是根据timeOut的值来决定放到CPU core哪个taskSortLink[0:7]链表上 
    taskCB->timerCpu = ArchCurrCpuid(); 
#endif 
} 

`OsAdd2SortLink`,将任务挂到排序链表上,因等待时间不一样,所以内核会对这些任务按时间长短排序. 

● 定时器相关三个变量,在系列篇定时器机制篇中已有对定时器的详细描述,可前往查看.

SortLinkAttribute swtmrSortLink;//CPU要处理的定时器链表 
UINT32 swtmrHandlerQueue; //队列中放各个定时器的响应函数 
UINT32 swtmrTaskID; // 其实就是 OsSwtmrTaskCreate 

搞明白定时器的机制只需搞明白: 定时器(SWTMR_CTRL_S),定时任务(swtmrTaskID),定时器响应函数

(SwtmrHandlerItem),定时器处理队列swtmrHandlerQueue 四者的关系就可以了. 一句话概括:定时任务swtmrTaskID是个系统任务,优先级最高,它循环读取队列swtmrHandlerQueue中的已到时间的定时器(SWTMR_CTRL_S),并执行定时器对应的响应函数SwtmrHandlerItem.

● idleTaskID空闲任务,注意这又是个任务,每个cpu核都有属于自己的空闲任务,cpu没事干的时候就待在里面.空闲任务长什么样? Look!

LITE_OS_SEC_TEXT WEAK VOID OsIdleTask(VOID) 
{ 
    while (1) {//只有一个死循环 
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS //低功耗模式开关, idle task 中关闭tick 
    if (OsTickIrqFlagGet()) { 
        OsTickIrqFlagSet(0); 
        OsTicklessStart(); 
    } 
    #endif 
        Wfi();//WFI指令:arm core 立即进入low-power standby state，等待中断，进入休眠模式。 
    } 
} 
 
一个死循环,只有一条汇编指令`Wfi`. 啥意思? 
`WFI`(Wait for interrupt):等待中断到来指令. `WFI`一般用于cpuidle,WFI 指令是在处理器发生中断或类似异常之前不需要做任何事情。具体在[鸿蒙内核源码分析(总目录)](https://my.oschina.net/u/3751245/blog/4626852)自旋锁篇中有详细描述,可前往查看. 

● taskLockCnt 这个很简单,记录等锁的任务数量.任务在运行过程中优先级是会不断地变化的, 例如 高优先级的A任务在等某锁,但持有锁的一方B任务优先级低,这时就会调高B的优先级至少到A的等级,提高B被调度算法命中的概率,如此就能快速的释放锁交给A运行. taskLockCnt记录被CPU运行过的正在等锁的任务数量.

● schedFlag 调度的标签.

typedef enum { 
INT_NO_RESCH = 0,   //不需要调度 
INT_PEND_RESCH,     //阻止调度 
} SchedFlag; 

调度并不是每次都能成功的,在某些情况下内核会阻止调度进行.例如:OS_INT_ACTIVE硬中断发生的时候.

STATIC INLINE VOID LOS_Schedule(VOID) 
{ 
    if (OS_INT_ACTIVE) {//发生硬件中断,调度被阻塞 
        OsPercpuGet()->schedFlag = INT_PEND_RESCH;// 
        return; 
    } 
    OsSchedPreempt();//抢占式调度 
} 

● excFlag标识CPU的运行状态,只在多核CPU下可见.

#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) 
typedef enum { 
    CPU_RUNNING = 0,        //CPU正在运行状态 
    CPU_HALT,              //CPU处于暂停状态 
    CPU_EXC                 //CPU处于异常状态 
} ExcFlag; 
#endif 

以上为内核对CPU描述的全貌,不是很复杂.多CPU的协同工作部分在后续篇中介绍.

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