有惊喜、有不足-解读腾讯TinyOS的核心代码

近期腾讯低调的在Github上开源了自己的lot操作TinyOS（网址：刚刚看到其开源三天的时间已经累积了1200多个star，到了趋势榜的第三，可以说还是引发了不小的关键，由于笔者之前也曾经做过CSDN的嵌入式大版当过很长时间的版主，所以在第一时间就到https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny上下载了全部的代码，第一时间为大家带来解读。

  TinyOS整体架构

TencentOS tiny 提供精简的 RTOS内核，其架构图如下：

目前看其内核部分已经开发完成，并已经完全开源。

从目前TinyOS的情况看，腾讯入局物联网的相关链条已经规划完整，

布署了TinyOS的的嵌入式开发板也已经制造出来，所以看来鹅厂在物联网时代对于入口的争夺也不会有丝毫的放松。

下面我将对于TinyOS代码中内核及loT协议部分进行相关解读。

 

TinyOS内核信号量与互斥锁解读

TinyOS的官宣文档中对于其内核的描述如下：TencentOS tiny 实时内核包括任务管理、实时调度、时间管理、中断管理、内存管理、异常处理、软件定时器、链表、消息队列、信号量、互斥锁、事件标志等模块。

其中定时器、消息队列等在之前都有过相应介绍，这里就为大家来解读一下信号量与互斥锁的相关代码。

信号量与互斥锁的异同：

1.信号量与互斥锁最根本的不同点在于：互斥锁的取值只能是0或者1，而信号量的取值范围则可以定义。

2.信号量的作用域可以进程也可以是线程，而互斥锁只能是线程。简单来说互斥锁可以实现线程对于唯一资源的使用保护，而信号量则可以实现多线程或者进程间数量有限资源的使用保护。

从某种意义上讲互斥锁是只能一个资源可用的信号量。

TinyOS互斥体的实现：

首先来看其数据结构具体解读如下：

typedef struct k_mutex_st {

    pend_obj_t      pend_obj;//pendding obj的列表

    k_nesting_t     pend_nesting;//个数

    k_task_t       *owner;//现在所的拥有者

    k_prio_t        owner_orig_prio; //现在所的拥有者

    k_list_t        owner_list;

} k_mutex_t;

如果大家对于LINUX的内核也有足够了解，那么通过以上数据结构也能看到，TinyOS没有考虑自旋锁，其实也就是针对loT的场景进行了优化，裁减了多CPU的场景支持。

内核主要代码在此位置：https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny/tree/master/kernel/core/tos_mutex.c

下面我们主要对于其pend操作函数进行解读如下：

__API__ k_err_t tos_mutex_pend_timed(k_mutex_t *mutex, k_tick_t timeout)

{

    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

    k_err_t err;



    TOS_PTR_SANITY_CHECK(mutex);

    TOS_IN_IRQ_CHECK();



#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u

    if (!pend_object_verify(&mutex->pend_obj, PEND_TYPE_MUTEX)) {

        return K_ERR_OBJ_INVALID;

    }

#endif

    TOS_CPU_INT_DISABLE();//将CPU锁住，防止其它进程进入

    if (mutex->pend_nesting == (k_nesting_t)0u) { //没有等待

        mutex_fresh_owner_mark(mutex, k_curr_task);//将此mutex的owner置 为当前task

        TOS_CPU_INT_ENABLE();//将CPU解锁

        return K_ERR_NONE;//返回成功

    }

    if (knl_is_self(mutex->owner)) {

        if (mutex->pend_nesting == (k_nesting_t)-1) {//等待数量如果超限则返回overflow

            TOS_CPU_INT_ENABLE();

            return K_ERR_MUTEX_NESTING_OVERFLOW;

        }

        ++mutex->pend_nesting;

        TOS_CPU_INT_ENABLE();

        return K_ERR_MUTEX_NESTING;

    }

    if (timeout == TOS_TIME_NOWAIT) { //如果锁已经被占用超时时间为不等待，则直接返回

        TOS_CPU_INT_ENABLE();

        return K_ERR_PEND_NOWAIT;

    }

    if (knl_is_sched_locked()) {//如果任务被锁定，则直接返回

        TOS_CPU_INT_ENABLE();

        return K_ERR_PEND_SCHED_LOCKED;

    }



    if (mutex->owner->prio > k_curr_task->prio) {



        tos_task_prio_change(mutex->owner, k_curr_task->prio);//如果owner的优先级更低，也就是其数值更大，则调整优先级

    }



    pend_task_block(k_curr_task, &mutex->pend_obj, timeout);//阻塞pending的任务



    TOS_CPU_INT_ENABLE();//解锁CPU总线

    knl_sched();//解锁任务高度



    err = pend_state2errno(k_curr_task->pend_state);



    if (err == K_ERR_NONE) {//如果没有错误

        TOS_CPU_INT_DISABLE();

        mutex_new_owner_mark(mutex, k_curr_task);//刷新mutex当前的owner

        TOS_CPU_INT_ENABLE();

    }



    return err;

}

TinyOS信号量的实现

首先来看k_sem_st的结构体：

typedef struct k_sem_st {

    pend_obj_t      pend_obj;//pending的列表

    k_sem_cnt_t     count;//关键资源的数量

} k_sem_t;

其信号量实现的相关代码在以下位置https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny/tree/master/kernel/core/tos_sem.c

下面我们对于post函数进行解读

__STATIC__ k_err_t sem_do_post(k_sem_t *sem, opt_post_t opt)

{

    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();//为CPU的CPSR进行预分配为后面恢复做准备



    TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);



#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u

    if (!pend_object_verify(&sem->pend_obj, PEND_TYPE_SEM)) {

        return K_ERR_OBJ_INVALID;

    }

#endif



    TOS_CPU_INT_DISABLE();//CPU锁定防止其它进程入

    if (sem->count == (k_sem_cnt_t)-1) {//若资源数量为-1则返回超限

        TOS_CPU_INT_ENABLE();

        return K_ERR_SEM_OVERFLOW;

    }



    if (pend_is_nopending(&sem->pend_obj)) {//如果无pending的情况则直接返回

        ++sem->count;

        TOS_CPU_INT_ENABLE();

        return K_ERR_NONE;

    }



    pend_wakeup(&sem->pend_obj, PEND_STATE_POST, opt);//唤醒pending的进程



    TOS_CPU_INT_ENABLE();//恢复CPU

    knl_sched();//恢复任务调度



    return K_ERR_NONE;

}

所以从上述解读相信各位读者也能看到，TinyOS的内核的确是被精心修减过，针对物联网场景做了相应的优化，去掉了一些没有必要的功能代码。

TinyOS对于MQTT的实现

在TinyOS的官宣中对于IoT 协议栈介绍如下：TencentOS tiny 提供 lwip、AT Adapter、SAL 层，支持不同的网络硬件，例如以太网、串口 Wi-Fi、GPRS、NB-IoT、4G等通信模块。TCP/IP 网络协议栈上提供常用的物联网协议栈，例如 CoAP、MQTT，支撑终端业务快速接入腾讯云。其中MQTT可以算是物联网时代比较通用的基于IP网络的协议了，它基于发布/订阅消息模式，提供一对多的消息分发有三种消息传递服务质量。

1.最多一次，也就是消息发布者只会发布一次消息，不管对端是否收到也不会发布第二次。一般用于环境传感器的数据读取，因为一般环境传感器读取的密度很高，丢失几个数据并没有什么大问题。·

2.确保到达，这个一般用在数据非常重要的情况，发送端将不断重复发送直到对端响应收到。但这样可能出现数据重复。

3.确保恰好一次送达，确保消息正好到达一次。这个级别用于计费系统，重复或丢失的数据可能导致一定的损失。

由于MQTT适合在低带宽、高延时网络运行的特性所以在特联网中的应用很多。不过呢腾讯针对此部分的实现则是完全拷贝于Eclipse Paho项目（网址：http://www.eclipse.org/paho/） 个人制作的原理动画如下图：

 

但是考虑到物联网终端其实仅需要MQTT的发布方即可，订阅方的代码其实没有太大必要保留，而且从目前发布支持的场景来看，MQTT一些通讯质量模式其实用处也不多，不过在这方面TinyOS是没有做任何优化与裁减的。所以这应该也可以看做是TinyOS的一个不足吧。

后记

随着移动互联网+智能硬件的不断发展，IOT的新业态大门徐徐开启，这里不但有众多互联网企业，也有传统家电甚至金融企业不断入局。但是与传统互联网软件+硬件的模式不同，物联网除了软、硬件外还多了一个侧面-场景，能将软、硬件及场景整合化一的公司才能笑到最后。就像HTML整合了互联网一样，MQTT等loT协议会是整合全链条的利器，所以最后笔者也呼吁各方除了重视操作系统内核外也需要大力参与loT通讯协议，尤其注意注重标准制订，这样才跟上loT的时代潮流。