SylixOS 经得起检验的国产操作系统 （四）

内核服务

       SylixOS内核小巧，它提供的操作系统最基础的服务，这些服务包括：

       1.        线程管理

       2.        协程管理

       3.        事件标志组管理

       4.        中断管理

       5.        调度器

       6.        内存管理

       7.        消息队列

       8.        计数、互斥、二值信号量

       9.        定时器管理

       10.    资源回收器

       这些最基础的功能构成了SylixOS所有功能与服务的核心。SylixOS本身是一个实时操作系统，所以内核调度器（scheduler）使用基于优先级的抢占式调度算法，调度器调度的基本单元为线程。SylixOS永远运行优先级最高的线程。

        SylixOS调度器支持紧耦合同构多处理（SMP）并且调度器调度时间复杂度为O（1），换句话说，调度器每次调度消耗的时间与需要调度的线程总数量没有关系，即调度时间确定，这种系统适合于对时间有严格要求的工业与军事系统。此调度器同样支持同优先级线程，这些线程可按先进先出或者时间片轮转调度算法。

        SylixOS线程（thread）有以下六种状态：

        1.        初始化

        2.        就绪

        3.        运行

        4.        阻塞

        5.        僵死

        6.        停止

       线程各状态迁移顺序由下图所示：

      【初始化】状态表示一个线程刚刚创建，操作系统为它分配了运行所必须的资源但是没有将它送入调度器。此时用户可以获取线程句柄，选择合适的时间启动线程。很多操作系统的线程没有这种状态。SylixOS加入这种状态主要是为了适应“静态系统”的要求，所谓静态系统就是运行线程确定，所需资源确定，行为确定的系统，例如汽车电子控制单元（ECU）系统。这类系统对响应和可靠性要求非常高，所以SylixOS可以提前分配好线程所有需要的资源，为它的运行做好一切准备，这样就不会因为资源短缺造成严重后果。

      【就绪】状态表示一个线程可以被执行，即线程得到了除CPU以外运行所需要的所有资源，例如线程等待的信号量已经有效，这时线程请求调度器调度，至于调度器合适将CPU资源提供个这个线程以使其运行，则依赖于上面所说的调度器算法。

      【运行】状态表示一个线程正在执行，即就绪后，系统调度器为这个线程分配了CPU资源使其得以运行。

      【阻塞】状态表示线程现在不能继续执行，必须需要等待指定的事件发生，例如线程正在等待信号量有效，或者消息队列中的信息，或者一个信号，一个同步I/O请求等等。这个状态下线程得不到执行，除非等待的事件到达或者设置的超时时间到达，如果这两种情况发生，则线程进入就绪队列。等待调度器再次执行，同时将等待的结果告知用户代码。

      【僵死】线程结束时需要回收操作系统在创建它时分配的资源，有些资源是它自身运行时无法回收的，例如内核对象，堆栈等，这时线程通知操作系统相关的回收器，并把自己设置为僵死状态等待回收器彻底销毁自己。

      【停止】状态表示线程被其他线程或者系统强行暂停执行，此状态只有SMP系统会出现，当一个核正在运行的线程（或进程）向另一个核上的线程发送信号时，这时发送信号的目标线程正在另一个核上运行，则内核会自动将目标设置为停止状态，然后等信号发送完毕后再将这个任务恢复执行。

       SylixOS系统上线程实体的状态永远是以上六种状态之一。

 

      协程（coroutine），又称作协同程序是比线程还小的可执行代码序，在windows操作系统上称为纤程。一个线程内可以拥有多个协程，这些协程共享线程除了栈之外的所有资源，例如优先级，内核对象等等。由于线程内的所有协程共享线程本身的内核对象，所以调度器本身并不知道协程的存在，协程的运行是靠所属线程被调度时被执行的。一个线程内的协程共享所属线程的优先级，一个线程内部的协程不可被强占。只能轮转运行。而且当前正在运行协程必须主动放弃CPU另同线程内的另一个协程才能得以运行，当线程被删除时，线程内的所有协程也同时被全部删除。

       SylixOS在内核中引入协程概念，而不是使用库模拟出的协程，这样SylixOS内部的协程管理更加便捷高效。

      事件标志组（eventset）是SylixOS提供的一个线程同步通信机制。每一个事件标志组包含有32位事件标志，在应用中每一位可以代表一个事件，线程可以等待事件标志组中的一个事件或者同时等待多个事件。线程等待多个事件时既可以等待多个事件同时发生，也可以等待多个事件中任何一个事件的发生。指定的事件发生后，等待相应事件的线程将会从阻塞状态被转换成就绪状态。这时只要调度器调度该线程，它就可以执行。

      

       SylixOS中断系统结构如下图所示，它本身可以支持无限数量的中断（interrupt）源，具体的中断向量表（interrupt vector）大小由编译时的配置决定。

       SylixOS和大多数操作系统一样使用平板中断向量表，如果系统硬件中存在有主从级联中断，则需要在板级支持包（BSP）中进行相关的抽象。当系统发生中断时，BSP代码按操作系统要求处理好相关中断上下文（context）后，调用操作系统统一的中断入口API。操作系统根据中断向量号来决定运行哪些之前已经注册的中断服务。驱动程序不需要操作中断的具体行为，只需要注册相关的中断向量即可。

       SylixOS同时支持单向量多中断服务函数表，所以像PCI总线这样的多级中断系统，使用此类中断向量管理，用户驱动程序将变的非常简单。

 

       SylixOS调度器只管理一种资源：CPU。调度器决定当前时刻将CPU分配给哪个线程，即运行哪个线程。每一个CPU核心只能同时运行一个线程，如果没有任何就绪的用户线程，则调度器让CPU运行永远就绪的空闲（idle）线程。

      如上所述，对于单核CPU系统，一般的多任务操作系统在宏观上是多任务并行处理，但在微观上，同时只有一个线程运行。调度器根据调度算法和当前就绪线程的相关参数来判断谁将运行。对于紧耦合多CPU系统（SMP，例如酷睿，龙芯多核），他们可以同时运行与内核数量相当的线程，例如双核处理器可以同时运行两个线程，如果这两个线程没有资源冲突，则理论运行速度将达到单核两倍（真正的并行处理系统），但是没有资源冲突的线程是理想状态，所以真实运行的N核系统是不可能达到单核系统N倍的效率。对于多核系统，SylixOS调度器将决定这些核同时运行哪些线程。对于硬实时的SylixOS来说，调度器将CPU分配给就绪线程中优先级最高的几个线程，这个调度算法时间复杂度也为O（1）。

        SylixOS提供三种形式的内存管理：堆内存管理（heap），定长分区内存管理（pool），虚拟内存管理（vmm）。这三种内存管理有着不同的用途。

       堆内存管理类似于我们常用的malloc、free操作，操作系统有两个非常关键的内存堆：“内核内存堆”和“系统内存堆”。内核堆负责系统内核对象的缓冲。系统堆负责内核基础缓冲区，驱动程序缓冲区等。

       虚拟内存管理只用于有硬件内存管理单元（MMU）的处理器。它管理了整个虚拟内存空间和物理页面的分配，回收，映射，权限。是操作系统内存管理的核心。例如后面将要提到的进程，文件映射，缺页中断系统等等，都需要虚拟内存管理的支持。同时它也接管了所有内存的异常访问处理（映射错误或者权限错误）。

        SylixOS物理内存采用页式内存管理算法。物理页面使用伙伴算法，虚拟空间采用哈希红黑二叉树保证分配与回收的速度。

       消息队列是SylixOS提供的多任务同步通信方式之一，它将一个消息从一个任务传递到另一个任务，这样一个线程可以将产生的数据或者事件发送出去，由指定的任务继续处理。这也是操作系统多任务最常用的同步通信方式。

       信号量也是SylixOS提供的多任务同步通信方式之一，SylixOS的信号量分为三种：计数信号量、二值信号量、互斥信号量。信号量既可以用作任务间的通信，也可以用于中断与任务的通信。SylixOS有关信号量对线程状态的影响如下图所示。

       计数信号量内部是一个32/64位计数器，当计数值为0时等待的线程将被阻塞，如果不为0则计数器减一线程继续运行。发送信号量时，如果此时有线程阻塞在对应的信号量上，则阻塞的任务将被激活，如果没有则计数器加一。

       二值信号量顾名思义，它只有两种状态：有效和无效。线程等待此信号量时如果信号量有效，则信号量立即变为无效状态，同时当前线程不阻塞并继续执行。如果信号量是无效状态，则线程被阻塞。发送信号量时，如果此时有线程阻塞在对应的信号量上，则阻塞的线程将被激活，如果没有等待此信号量的线程，则将信号量置为有效状态。

       互斥信号量（简称互斥量）是SylixOS为保护共享资源设计的一种锁机制（大多数操作系统拥有此功能），互斥信号量的基本行为类似于二值信号量，但是功能更加强大。但它并不能取代二值信号量，因为释放互斥信号量的线程必须是之前获取该信号量的线程，所以互斥量不能被用作线程同步通信。SylixOS的互斥量提供两种方法避免优先级倒置（又名优先级反转），一种是优先级继承算法，一种是优先级天花板算法，创建互斥量时通过选项来选择需要使用的算法。同时互斥量支持资源死锁检测，死锁可重入功能，同样也是根据创建选项确定。

        SylixOS提供两种类型的定时器：高速内核定时器，任务级定时器。高速内核定时器顾名思义，它的定时周期可以非常短，频率可以高过操作系统的时钟。但需要注意的是，高速定时器的用户回调函数可能运行在中断上下文中（由BSP代码决定），所以只能进行简单的操作，一般用于发送信号量激活等待线程，或者通知什么事情发生。

       任务级定时器速度较慢，他提供普通精度的定时要求。定时器服务函数运行在操作系统t_timer内核线程中。

       需要注意的是：SylixOS内核提供的定时器只用于内核模块或者内核应用，进程需要使用与信号系统相关的posix定时器。

        SylixOS的回收器主要是记录一个进程的资源使用情况，在进程退出时将释放进程的所有资源，它们包括内核对象，文件描述符，进程空间，依赖的动态链接库等等。进程相关的内容将在下面进程一节详细讲解。

 

（本篇结束）