Nucleus Plus的讀書筆記

以前用過Vxworks, 由於工作需要，接觸到Nucleus, 隨手寫的一個讀書筆記，主要注重Nucleus Plus (NP)和其他Embedded OS 的差別。

1.1        About Nucleus Plus
實時、搶佔、多任務內核，用於時間要求嚴格的嵌入式應用；95%的Nuclear PLUS用ANSI C寫成；便於移植，能用於絕大多數微處理器架構。
片上RTOS！
Nuclear PLUS常作為C庫來使用。其發布形式為源碼方式。

1.2        實時應用
不用多說了，J

1.3        Why Nucleus PLUS
提供任務管理（調度），任務間通信，任務同步，時鐘，內存管理。

1.4        How to use Nucleus PLUS
將Nuclear PLUS當成一個C庫來用。應用軟體中用到的服務從Nuclear PLUS庫中獲取，和應用目標組合得到完整的映像（可執行代碼）。映像被下載到目標機系統或ROM中。

使用Nuclear PLUS的一般步驟：
1）  如果必要，可以修改地及初始化文件，INT.*
注意：該文件常為彙編語言形式，其擴展名根據開發工具指定；
2）  定義Application_Initialize函數，其在Nuclear PLUS引導系統前執行。注意：為了進行NP的系統調用，文件NUCLEUS.H必須被包含；
3）  定義應用任務。如果使用了NP服務，NULCEUS.H必須包含；
4）  編譯/彙編所有的應用軟體，包括底層的系統初始化文件INT.*；
5）  連接INT，所有的應用目標文件以及NP庫，以及任何必要的開發庫；
6）  下載完整的應用映像到目標系統，Run it！

1.4.1        Application Initialization
典型結構：
#include
void Application_Initialize(void *first_available_memory)
{
/* Application-specific initialization of Nucleus PLUS
objects, including the creation of tasks,mailboxes,
queues, pipes, event groups, and memory pools. */
} 

1.4.2        目標系統要求
NP大小：CISC系統上最大20Kb，RISC系統上40Kb；需要1.5Kb RAM。以上不包括應用程序，隊列，管道或其他NP對象用到的內存。
NP不試圖改變任何存在的數據元素，其容易被放在ROM中。對每個開發環境來說，NP都存在ROM可用的屬性。
目標包括TRM（Target-Resident Monitor）的情況.... 

1.4.3        配置選項
1.4.4        系統初始化
INT_INITIALIZE常式一般為NP中第一個執行的。對大部分目標環境，INT_INITIALIZE包含硬體複位向量，其負責所有目標相關的初始化，如建立不同的處理器控制寄存器，中斷向量表，全局C數據變數，幾個NP變數，系統堆棧指針。

系統初始化完成後，控制流進入NP高級初始化INC_INITIALIZE。注意，不會在返回系統初始化。

INC_INITIALIZE調用用戶初始化常式，Application_Initialize() （簡稱AI）。AI負責初始化應用環境，如初始化應用任務，郵箱（mailboxes），隊列，管道，信號燈，事件組，內存池，其他NP變數。

AI完成後，INC_Initialize()初始化任務調度。 

1.4.5        內存的使用
NP提供給應用定製每個系統對象使用內存的能力。系統對象包括：任務，HISRs（硬體中斷？？），隊列，管道，郵箱，信號燈，事件標誌組，內存分區池，動態內存池，I/O驅動。每個系統對象需要一個控制結構（變數），某些對象需要附加的內存。

分配系統對象內存的幾種方法：1) 最簡單的辦法，用C的全局數據結構來分配；2) 動態分配內存，可以從動態內存池，或分區內存池；3) 從目標系統的絕對物理地址分配內存。 

1.4.6        執行的線程
NP有8種線程執行模式：初始化，系統錯誤，調度循環，任務，信號處理，用戶ISR，LISR（Low-Level ISR）, HISR(High-Level ISR)。

1.5        任務控制
任務是一個有特定目的的半獨立程序。現代實時應用常為多任務，而且任務的重要性常發生變化。
任務狀態：執行，準備，懸挂，終止，完成
搶佔、放棄（同優先順序輪轉），時間片，動態創建（任務數量也許沒限制，每個任務需要控制塊和堆棧），確定性，堆棧檢測，任務信息，優先順序（0~255，0最高）
"飢餓"，高優先順序總"Ready"，則低優先順序任務沒機會執行。 

1.6        動態內存分配
用戶指定內存池大小；吃的內存為只有應用程序決定；支持變長度分配和釋放。
分配規則：First Fit
支持"延遲"分配，FIFO或優先順序確定順序。
內存池可以動態創建。
確定性問題：分配~不確定，釋放~確定 

1.7        分區內存
分區內存池包含用戶指定固定大小的內存區。其位置、大小有應用程序決定。在分區池中進行單個的分區的分配和釋放。需要一些附加工作！
延遲（懸挂）：無條件，超時，無懸挂
可以動態創建和消除
確定性：無需搜索，分配和釋放分區的過程快速且固定（時間一定）。但其處理時間，受懸挂任務的優先順序順序等影響。 

1.8        Mailboxes
"郵箱"提供了低代價的簡單信息傳遞機制。每個Mailbox能夠儲存4個32位的字(WORDS)。消息的發送和接收為值。發送消息時，需要將消息Copy到"郵箱"，接受消息需要將消息Copy出郵箱。 
延遲：無條件延遲，超時，無延遲 
廣播：Mailbox消息可以是廣播的。 
動態創建和刪除
確定性：發送和接收消息的處理時間是常值的。但受懸挂任務的優先順序影響。 

1.9        隊列
提供傳送多消息的機制。消息的發送和接收為值。。。。
消息可以放隊列頭或尾。
消息大小：包括1個或多個32位字；支持固定或變長度的消息，隊列創建時定義消息格式，變長度需要附加1個字。 

1.10    管道
提供多消息傳遞機制；值；Copy入，Copy出；消息可以放在管道前或后。
消息大小：1個或多位元組；固定或變長的消息被支持；創建時定義。 

1.11    信號燈
信號燈提供應用程序關鍵部分的控制執行機制；NP提供的計數信號燈（可用信號燈）範圍為0~4,294,967,294.
信號燈兩個基本操作：獲取、釋放。
信號燈創建時指定初始值用於指示事件。

延遲：無條件，超時，無延遲
死鎖：指當兩個或更多的任務由於企圖獲取兩個或更多信號燈而永遠死鎖。"阻止"（Prevention）是解決這個問題的好辦法，具體依賴於應用，如每個任務不能佔用1個以上的信號燈，或所有任務按相同順序去獲取多個信號燈，可選的"超時"設定等。
優先順序反轉：當高優先順序的任務懸挂在低優先順序擁有的信號燈上。該情況在不同優先順序共享相同的保護資源時是客觀存在的。此時，反轉的時間有限或可估計時，是可接受的。然而，如果在優先順序反轉期間，低優先順序任務被中等優先順序任務搶佔，則反轉的時間則是不確定，該種情況應該避免，可以通過使得所有使用相同信號燈的任務具有相同的優先順序。
（？？？這個和Vxworks有點不一樣？？） 

1.12    事件組（Event Group）
指示某確定系統事件發生。一個事件由事件組中的單個位表示，該位叫事件標誌位。每個事件組有個32個事件標誌位。
用AND/OR去設置或清除事件標誌。此外，當事件被接收后，事件標誌可能被自動複位。 

1.13    信號（Signals）
信號在某些方面和事件類似，然而，在操作上大不相同。時間標誌的使用天生是同步的，任務指導指定的服務需要被給定后，才會去存取事件標誌，判斷其是否存在。信號操作為非同步的，當信號存在時，任務預先指定的信號處理常式被執行，而任務被懸挂。每個任務可以處理32個信號。每個信號由單個位表示。
信號處理常式：必須在任何信號被處理前，指定信號處理常式。在信號處理常式內部遵守的約束和高級終端服務差不多。基本上，大部分NP服務都是可用的，但自身懸挂需要避免。
使能信號處理：預設信號處理是Diable的。
信號清除：當引用信號處理常式后，信號自動被清除。信號處理常式不會被新的信號常式中斷。此外，對信號進行懇求（solicited）請求，信號被清除。注意！！任務不能在信號懇求時懸挂。
多個信號：一旦信號常式開始，該任務的信號就被清除。信號處理不會被新的信號請求終止，在當前信號處理完成後處理新的信號。先前發送的相同信號被拋棄。 

1.14    時鐘
絕大部分實時系統需要周期時間間隔的處理。每個NP任務有一個內建的時鐘，該時鐘用於提供任務睡眠或系統調用懸挂超時。
Ticks（嘀嗒）：時間的基本單位。每個Tick對應單個硬體時鐘中斷。每個Tick表示的實際時間量有用戶編程設定。
錯誤邊界：時鐘請求可能比實際的時間早一個Tick，這是因為在時鐘請求后，Tick可以馬上發生。
硬體需求：NP需要周來自迎接的周期時鐘中斷。如果沒有這個中斷，時鐘工具將不可用。然而，其他的NP工具不會因為缺少時鐘工具而被影響（！！強，J）
連續時鐘：NP維護一個連續技術Tick時鐘，其最大值為4,294,967,294  (232），達到最大值后，自動複位。該連續時鐘被保留，不用於其他應用使用，可以被應用在任何時候讀或寫。
任務時鐘：每個任務有一個內建時鐘能夠。用於任務睡眠或懸挂超時，此外，對需要時間片的任務，有個時間片時鐘可用。
應用時鐘：NP提供給應用可編程時鐘。當該時鐘到時，執行用戶指定的常式。該常式作為高級中斷服務常式執行。因此，自懸挂請求是不允許的。此外，處理時間應該儘可能的短。
重新調度：當時鐘過期，預先指定常式被執行。執行結束后，時鐘可以消失或重新調度。如果重新調度值為零，則初次過期后，時鐘消失。如果不為零，則重新調度時鐘，設定為這個調度值。

Enable/Disable：在創建期間時鐘被自動使能。可以被動態的使能或Diable。

1.15    中斷
中斷是提供隊內部或外部事件立刻反應的機制。當中斷髮生時，處理器懸挂當前執行路徑，把控制流轉移到中斷服務程序（ISR）。一個中斷的精確操作是跟處理器相關。
NP支持可管理或不可管理的ISRs。可管理ISR是指那些不需要保存和恢復上下文的情況，而不可管理是指其負責保存和恢復所用泳道的寄存器。可管理的ISR可以用C或彙編寫成；而不可管理的ISR幾乎都是彙編寫成。
保護：對於所有的實時內核，中斷總是產生一些感興趣的問題。NP當然也不例外。主要問題來自於ISRs需要存取的NP的服務。表面上，這個看起來不是個問題，然而，其需要在系統服務代用期間，防止同時被ISR存取。最簡單的方法是在終端服務期間鎖住中斷。
對中斷響應快速實時系統的基礎。因此，鎖住中斷來保護內部數據是不被希望的。NP處理這個問題是通過把應用ISR分為高級和低級部分。

低級ISR（LISR）：LISR和正常ISR一樣，使用當前的堆棧。NP在調用LISR前保存上下文，執行LISR后恢復上下文。因此，LISR可用C寫，而且可以調用其他C常式。然而，僅有少量的NP服務對LISR可用。如果中斷處理常式需要其他的NP服務，則高級ISR（HISR）被激活。NP支持多LISR嵌套。 

高級ISR（HISR）：HISR被動態創建或刪除。每個HISR擁有自己的堆棧和自己的控制塊，其內存有應用提供。當然，在LISR激活前，HISR必須被創建。
由於HISR有自己的堆棧和控制塊，當其存取正在被存取的NP數據結構時，可以被臨時阻塞。
HISR可以存取絕大部分NP服務，除了自懸挂服務。此外，由於HISR不能懸挂NP服務，其懸挂參數必須總是被設定為NU_NO_SUSPEND。
HISR有3個優先順序可用，如果在處理低優先順序的HISR時，高優先順序的HISRj激活，則低優先順序的被"搶佔"，這個任務搶佔是一樣的。相同優先順序的HISR根據激活順序，依次執行（注意!不是輪轉哦！！）在正常的任務調度以前，所有激活的HISR被執行。
每個HISR有個激活計數器。該計數器用於保證每個激活都被執行一次。

1.16    I/O驅動
（略）
2004/4
（後來懶，就沒有寫下去了，:)