RT-Thread嵌入式操作系统 （1）

一、系统架构

  RT-Thread，全称是 Real Time-Thread，顾名思义，它是一个嵌入式实时多线程操作系统。
  RT-Thread 主要采用 C 语言编写，浅显易懂，方便移植。它把面向对象的设计方法应用到实时系统设计中，使得代码风格优雅、架构清晰、系统模块化并且可裁剪性非常好。针对资源受限的微控制器（MCU）系统，可通过方便易用的工具，裁剪出仅需要 3KB Flash、1.2KB RAM 内存资源的 NANO 版本（NANO 是 RT-Thread 官方于 2017 年 7 月份发布的一个极简版内核)；而对于资源丰富的物联网设备，RT-Thread 又能使用在线的软件包管理工具，配合系统配置工具实现直观快速的模块化裁剪，无缝地导入丰富的软件功能包，实现类似 Android 的图形界面及触摸滑动效果、智能语音交互效果等复杂功能。
  近年来，物联网（Internet Of Things，IoT）概念广为普及，物联网市场发展迅猛，嵌入式设备的联网已是大势所趋。终端联网使得软件复杂性大幅增加，传统的 RTOS 内核已经越来越难满足市场的需求，在这种情况下，物联网操作系统（IoT OS）的概念应运而生。物联网操作系统是指以操作系统内核（可以是 RTOS、Linux 等）为基础，包括如文件系统、图形库等较为完整的中间件组件，具备低功耗、安全、通信协议支持和云端连接能力的软件平台，RT-Thread 就是一个 IoT OS。

  RT-Thread 与其他很多 RTOS 如 FreeRTOS、uC/OS 的主要区别之一是，它不仅仅是一个实时内核，还具备丰富的中间层组件，如下图所示。

它具体包括以下部分:

1、内核层：RT-Thread 内核，是 RT-Thread 的核心部分，包括了内核系统中对象的实现，例如多线程及其调度、信号量、邮箱、消息队列、内存管理、定时器等；libcpu/BSP（芯片移植相关文件 / 板级支持包）与硬件密切相关，由外设驱动和 CPU 移植构成。
2、组件与服务层：组件是基于 RT-Thread 内核之上的上层软件，例如虚拟文件系统、FinSH 命令行界面、网络框架、设备框架等。采用模块化设计，做到组件内部高内聚，组件之间低耦合。
3、RT-Thread 软件包：运行于 RT-Thread 物联网操作系统平台上，面向不同应用领域的通用软件组件，由描述信息、源代码或库文件组成。RT-Thread 提供了开放的软件包平台，这里存放了官方提供或开发者提供的软件包，该平台为开发者提供了众多可重用软件包的选择，这也是 RT-Thread 生态的重要组成部分。软件包生态对于一个操作系统的选择至关重要，因为这些软件包具有很强的可重用性，模块化程度很高，极大的方便应用开发者在最短时间内，打造出自己想要的系统。RT-Thread 已经支持的软件包数量已经达到 60+，如下举例：

 <1>物联网相关的软件包：Paho MQTT、WebClient、mongoose、WebTerminal 等等。

 <2>脚本语言相关的软件包：目前支持 JerryScript、MicroPython。
多媒体相关的软件包：Openmv、mupdf。
 <3>工具类软件包：CmBacktrace、EasyFlash、EasyLogger、SystemView。
 <4>系统相关的软件包：RTGUI、Persimmon UI、lwext4、partition、SQLite 等等。
 <5>外设库与驱动类软件包：RealTek RTL8710BN SDK。
其他。

二、文件结构

1、RT-Thread 完整版

该版本适用于需要使用RT-Thread的丰富功能，如各类外设、物联网组件、软件包等的场景。

2、RT-Thread Nano版

适用于系统资源紧张或是项目功能较为简单，仅需使用RTOS内核，无需丰富功能的场景，且开发时无需额外的辅助工具。

3 源文件的文件说明

1、applications		RT-Thread 应用程序。

2、rt-thread		RT-Thread 的源文件。
	- components		RT-Thread 的各个组件目录。
	- include			RT-Thread 内核的头文件。
	- libcpu			各类芯片的移植代码，此处包含了 STM32 的移植文件。
	- src				RT-Thread 内核的源文件。
	- tools				RT-Thread 命令构建工具的脚本文件。
- 
3、drivers			RT-Thread 的驱动，不同平台的底层驱动具体实现。

4、Libraries		STM32 固件库文件。

5、kernel-sample-0.1.0	RT-Thread 的内核例程。

4 移植后的文件层次

Applications	它用于存放用户应用代码。
Drivers			它用于存放 RT-Thread 底层的驱动代码。
STM32_HAL		它用于存放 STM32 的固件库文件。
kernel-sample	它用于存放 RT-Thread 的内核例程。
Kernel			它用于存放 RT-Thread 内核核心代码。
CORTEX-M3		它用于存放 ARM Cortex-M3 移植代码。
DeviceDrivers	它用于存放 RT-Thread 驱动框架源码。
finsh			它用于存放 RT-Thread 命令行 finsh 命令行组件。

三、系统启动

  一般了解一份代码大多从启动部分开始，同样这里也采用这种方式，先寻找启动的源头，因为 MDK-ARM 的用户程序入口为 main() 函数，所以先看看 main() 函数在哪个文件中。这里的 main() 函数位于 Startup 组的 startup.c 文件中，它位于 STM32 的启动汇编代码后，与 C 代码的入口跳转前。启动汇编在 STM32_HAL 组的 startup_stm32f103xe.s 中。

下面我们来看看 main() 函数中的这段代码：

 
//components.c 中定义
/* re-define main function */
int $Sub$$main(void)
{
     
    rt_hw_interrupt_disable();
    rtthread_startup();
    return 0;
}

  在这里 $Sub$$main 函数仅仅调用了 rtthread_startup() 函数。RT-Thread 支持多种平台和多种编译器，而 rtthread_startup() 函数是 RT-Thread 规定的统一入口点，所以 $Sub$$main 函数只需调用 rtthread_startup() 函数即可。例如采用 GNU GCC 编译器编译的 RT-Thread，就是直接从汇编启动代码部分跳转到 rtthread_startup() 函数中，并开始第一个 C 代码的执行的。在 components.c 的代码中找到 rtthread_startup() 函数，我们将可以看到 RT-Thread 的启动流程：

int rtthread_startup(void)
{
     
    rt_hw_interrupt_disable();
 
    /* board level initalization
     * NOTE: please initialize heap inside board initialization.
     */
    rt_hw_board_init();
 
    /* show RT-Thread version */
    rt_show_version();
 
    /* timer system initialization */
    rt_system_timer_init();
 
    /* scheduler system initialization */
    rt_system_scheduler_init();
 
#ifdef RT_USING_SIGNALS
    /* signal system initialization */
    rt_system_signal_init();
#endif
 
    /* create init_thread */
    rt_application_init();
 
    /* timer thread initialization */
    rt_system_timer_thread_init();
 
    /* idle thread initialization */
    rt_thread_idle_init();
 
    /* start scheduler */
    rt_system_scheduler_start();
 
    /* never reach here */
    return 0;
}
#endif

  这部分启动代码，大致可以分为四个部分 ：

1 初始化与系统相关的硬件；
2 初始化系统内核对象，例如定时器，调度器；
3 初始化系统设备，这个主要是为 RT-Thread的设备框架做的初始化；
4 初始化各个应用线程，并启动调度器。

四、用户代码

  上面的启动代码基本上可以说都是和 RT-Thread 系统相关的，那么用户如何加入自己的应用程序的初始化代码呢？RT-Thread 将 main 函数作为了用户代码入口，只需要在 main 函数里添加自己的代码即可。

int main(void)
{
     
  /* user app entry */
  return 0;
}

  为了在进入 main 程序之前，完成系统功能初始化，可以使用 $sub 和 $super 函数标识符在进入主程序之前调用另外一个例程，这样可以让用户不用去管 main() 之前的系统初始化操作。