鴻蒙內核源碼分析(CPU篇) | 內核是如何描述CPU的 ?

作者：HarmonyOS技術社區 2021-04-08 09:32:17

文章由鴻蒙社區產出，想要了解更多內容請前往：51CTO和華為官方戰略合作共建的鴻蒙技術社區https://harmonyos.51cto.com

[[391700]]

想了解更多內容，請訪問：

51CTO和華為官方合作共建的鴻蒙技術社區

https://harmonyos.51cto.com

本篇說清楚CPU

cpu是負責執行指令的,誰能給它指令?是線程(也叫任務), 任務是內核的調度單元,調度到哪個任務CPU就去執行哪個任務的指令. 要執行指令就要有個取指令的開始地址. 開始地址就是大家所熟知的main函數.一個程序被加載解析后內核會在ELF中找到main函數的位置,并自動創建一個線程,指定線程的入口地址為main函數的地址,由此開始了取指,譯指,執指之路.

多線程內核是怎么處理的? 一樣的, 以JAVA舉例,對內核來說 new thread中的run() 函數和 main() 并沒有區別. 都是一個線程(任務)的執行入口. 注意在系列篇中反復的說任務就是線程,線程就是任務,它們是一個東西在不同層面上的描述.對應用層說線程,對內核層說任務. 有多少個線程就會有多少個入口,它們統一接受調度算法的調度, 調度算法只認優先級的高低,不會管你是main() 還是 run() 而區別對待.

定時器的實現也是通過任務實現的,只不過是個系統任務OsSwtmrTaskCreate,優先級最高,和入口地址OsSwtmrTask由系統指定.

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

不相信?那就看看內核對CPU是怎么描述的吧.本篇就圍繞這個結構體展開說.

內核如何描述CPU?

[[391701]]

typedef struct {//內核對cpu的描述 
    SortLinkAttribute taskSortLink;             /* task sort link */    //task wait/delay 排序鏈表 
    SortLinkAttribute swtmrSortLink;            /* swtmr sort link */   //定時器排序鏈表 
    UINT32 idleTaskID;                          /* idle task id */      //空閑任務ID 見于 OsIdleTaskCreate 
    UINT32 taskLockCnt;                         /* task lock flag */    //任務鎖的數量,當 > 0 的時候,需要重新調度了 
    UINT32 swtmrHandlerQueue;                   /* software timer timeout queue id */   //軟時鐘超時隊列句柄 
    UINT32 swtmrTaskID;                         /* software timer task id */    //軟時鐘任務ID 
    UINT32 schedFlag;                           /* pending scheduler flag */    //調度標識 INT_NO_RESCH INT_PEND_RESCH 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES) 
    UINT32 excFlag;                             /* cpu halt or exc flag */  //CPU處于停止或運行的標識 
#endif 
} Percpu;

結構體不復雜,但很重要,一個一個掰開了說.

● taskSortLink是干什么用的? 一個任務在運行過程中,會經常會主動或被動中斷,而進入等待狀態.

◊ 主動中斷情況, 例如:主動delay300毫秒,這是應用層很常見的操作.

◊ 被動中斷情況, 例如:申請互斥鎖失敗,等待某個事件發生等等. 發生這些情況時任務將被掛到taskSortLink上.

UINT32 OsTaskWait(LOS_DL_LIST *list, UINT32 timeout, BOOL needSched) 
{ 
    LosTaskCB *runTask = NULL; 
    LOS_DL_LIST *pendObj = NULL; 
 
    runTask = OsCurrTaskGet();//獲取當前任務 
    OS_TASK_SCHED_QUEUE_DEQUEUE(runTask, OS_PROCESS_STATUS_PEND);//將任務從就緒隊列摘除,并變成阻塞狀態 
    pendObj = &runTask->pendList; 
    runTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_PEND;//給任務貼上阻塞任務標簽 
    LOS_ListTailInsert(list, pendObj);//將阻塞任務掛到list上,,這步很關鍵,很重要! 
    if (timeout != LOS_WAIT_FOREVER) {//非永遠等待的時候 
        runTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_PEND_TIME;//阻塞任務再貼上在一段時間內阻塞的標簽 
        OsAdd2TimerList(runTask, timeout);//把任務加到定時器鏈表中 
    } 
 
    if (needSched == TRUE) {//是否需要調度 
        OsSchedResched();//申請調度,里面直接切換了任務上下文,至此任務不再往下執行了. 
        if (runTask->taskStatus & OS_TASK_STATUS_TIMEOUT) {//這條語句是被調度再次選中時執行的,和上面的語句可能隔了很長時間,所以很可能已經超時了 
            runTask->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_TIMEOUT;//如果任務有timeout的標簽,那么就去掉那個標簽 
            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);//設置idxRollNum的值為timeOut 
    OsAdd2SortLink(&OsPercpuGet()->taskSortLink, &taskCB->sortList);//將任務掛到定時器排序鏈表上 
#if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)//注意:這里的排序不是傳統意義上12345的排序,而是根據timeOut的值來決定放到CPU core哪個taskSortLink[0:7]鏈表上 
    taskCB->timerCpu = ArchCurrCpuid(); 
#endif 
}

`OsAdd2SortLink`,將任務掛到排序鏈表上,因等待時間不一樣,所以內核會對這些任務按時間長短排序.

● 定時器相關三個變量,在系列篇定時器機制篇中已有對定時器的詳細描述,可前往查看.

SortLinkAttribute swtmrSortLink;//CPU要處理的定時器鏈表 
UINT32 swtmrHandlerQueue; //隊列中放各個定時器的響應函數 
UINT32 swtmrTaskID; // 其實就是 OsSwtmrTaskCreate

搞明白定時器的機制只需搞明白: 定時器(SWTMR_CTRL_S),定時任務(swtmrTaskID),定時器響應函數

(SwtmrHandlerItem),定時器處理隊列swtmrHandlerQueue 四者的關系就可以了. 一句話概括:定時任務swtmrTaskID是個系統任務,優先級最高,它循環讀取隊列swtmrHandlerQueue中的已到時間的定時器(SWTMR_CTRL_S),并執行定時器對應的響應函數SwtmrHandlerItem.

● idleTaskID空閑任務,注意這又是個任務,每個cpu核都有屬于自己的空閑任務,cpu沒事干的時候就待在里面.空閑任務長什么樣? Look!

LITE_OS_SEC_TEXT WEAK VOID OsIdleTask(VOID) 
{ 
    while (1) {//只有一個死循環 
    #ifdef LOSCFG_KERNEL_TICKLESS //低功耗模式開關, idle task 中關閉tick 
    if (OsTickIrqFlagGet()) { 
        OsTickIrqFlagSet(0); 
        OsTicklessStart(); 
    } 
    #endif 
        Wfi();//WFI指令:arm core 立即進入low-power standby state，等待中斷，進入休眠模式。 
    } 
} 
 
一個死循環,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 指令是在處理器發生中斷或類似異常之前不需要做任何事情。具體在[鴻蒙內核源碼分析(總目錄)](https://my.oschina.net/u/3751245/blog/4626852)自旋鎖篇中有詳細描述,可前往查看.

● taskLockCnt 這個很簡單,記錄等鎖的任務數量.任務在運行過程中優先級是會不斷地變化的, 例如高優先級的A任務在等某鎖,但持有鎖的一方B任務優先級低,這時就會調高B的優先級至少到A的等級,提高B被調度算法命中的概率,如此就能快速的釋放鎖交給A運行. taskLockCnt記錄被CPU運行過的正在等鎖的任務數量.

● schedFlag 調度的標簽.

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

調度并不是每次都能成功的,在某些情況下內核會阻止調度進行.例如:OS_INT_ACTIVE硬中斷發生的時候.

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

● excFlag標識CPU的運行狀態,只在多核CPU下可見.

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