裸機(jī) while(1) 寫(xiě)多了你會(huì)慢慢感覺(jué)到一種“越寫(xiě)越擰巴”的別扭LED 要閃、按鍵要掃描、屏幕要刷新、串口還要收發(fā)全懟在一個(gè)大循環(huán)里加一個(gè)功能就要改一片狀態(tài)邏輯改著改著就把自己繞進(jìn)去了。想直接上 FreeRTOS 吧又覺(jué)得項(xiàng)目就巴掌大配置任務(wù)棧、調(diào)度器、內(nèi)存堆光鋪路就得折騰半天。如果你正好卡在這個(gè)尷尬點(diǎn)上那我建議你認(rèn)真看看 QuarkTS 這個(gè)輕量級(jí)調(diào)度器。QuarkTS 的定位很有意思官方把它叫做“面向嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)源調(diào)度器”而不是完整操作系統(tǒng)。它沒(méi)有復(fù)雜的內(nèi)存管理不需要你在工程里塞一堆驅(qū)動(dòng)框架核心就是一個(gè)任務(wù)調(diào)度內(nèi)核加上事件標(biāo)志、消息隊(duì)列、軟件定時(shí)器這些常用的任務(wù)間同步原語(yǔ)。移植到一個(gè)新的單片機(jī)上核心工作量往往只有三件事配置好系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器、實(shí)現(xiàn)好臨界區(qū)、再把定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)接到內(nèi)核的 tick 入口。對(duì)資源緊張的小 MCU 來(lái)說(shuō)這東西比 FreeRTOS 輕太多了。這篇文章就圍繞這個(gè)標(biāo)題展開(kāi)從我實(shí)際移植的流程出發(fā)把 QuarkTS 到底解決什么問(wèn)題、底層接口要?jiǎng)幽睦铩⒕唧w每步怎么配、以及那些網(wǎng)上文檔里不會(huì)寫(xiě)的坑一次性拆開(kāi)講清楚。適合正在從裸機(jī)往多任務(wù)過(guò)渡的開(kāi)發(fā)者也適合手上芯片資源有限、塞不下完整 RTOS 的嵌入式從業(yè)者參考。1. 移植前先想明白QuarkTS 到底是解決哪個(gè)問(wèn)題的1.1 裸機(jī)大循環(huán)真正做不好的三件事裸機(jī)程序的核心結(jié)構(gòu)就是“初始化 超級(jí)循環(huán)”這個(gè)結(jié)構(gòu)本身沒(méi)有問(wèn)題很多簡(jiǎn)單產(chǎn)品跑得也很穩(wěn)。但等你手里的功能模塊變多之后三個(gè)問(wèn)題會(huì)越來(lái)越明顯。第一所有模塊共享同一個(gè)執(zhí)行流。一個(gè)任務(wù)里寫(xiě)了阻塞延時(shí)其他所有任務(wù)全部跟著等待。比如串口發(fā)送函數(shù)如果用了輪詢方式等待發(fā)送完成標(biāo)志在一個(gè) 9600 波特率的鏈路上發(fā)一串日志對(duì)面整個(gè) LED 閃爍周期都會(huì)被拖亂。這是裸機(jī)程序里最典型的“一損俱損”。第二時(shí)間精度完全依賴主循環(huán)的循環(huán)體長(zhǎng)度。你用delay_ms(20)做軟件定時(shí)看起來(lái)是 20ms但實(shí)際執(zhí)行時(shí)間等于“20ms 延時(shí) 當(dāng)前循環(huán)里所有任務(wù)執(zhí)行時(shí)間之和”。今天加一個(gè)函數(shù)沒(méi)事明天再加一個(gè)傳感器讀取按鍵消抖的時(shí)間窗口就漂了很多玄學(xué)故障就是這么來(lái)的。第三中斷和主循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交接沒(méi)有規(guī)范。中斷里置標(biāo)志位、主循環(huán)里輪詢清標(biāo)志這套做法本身沒(méi)問(wèn)題但一旦涉及的共享變量多了變量有沒(méi)有加volatile、清標(biāo)志和讀數(shù)據(jù)之間的先后順序合不合理全憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。同一個(gè)團(tuán)隊(duì)里兩個(gè)人寫(xiě)出來(lái)的裸機(jī)代碼風(fēng)格可能天差地別。QuarkTS 解決的正是這三點(diǎn)。它把每一個(gè)獨(dú)立的功能封裝成“任務(wù)”每個(gè)任務(wù)有自己獨(dú)立的上下文由調(diào)度器決定“誰(shuí)在什么時(shí)候運(yùn)行”。時(shí)間觸發(fā)任務(wù)嚴(yán)格按照配置的周期去執(zhí)行不受其他任務(wù)的影響事件觸發(fā)任務(wù)則由中斷或其他任務(wù)通過(guò)事件標(biāo)志喚醒數(shù)據(jù)交接走標(biāo)準(zhǔn)的隊(duì)列原語(yǔ)。寫(xiě)起來(lái)干凈后期維護(hù)也好做。1.2 它和 FreeRTOS 的本質(zhì)差異決定了它的適用邊界剛開(kāi)始接觸 QuarkTS 的人最容易問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題是這玩意兒和 FreeRTOS 有什么區(qū)別區(qū)別還挺大我列個(gè)表說(shuō)明。維度裸機(jī)超級(jí)循環(huán)QuarkTSFreeRTOS內(nèi)核體積無(wú)很小核心代碼約幾千行較大完整功能更多動(dòng)態(tài)內(nèi)存不用默認(rèn)可不使用任務(wù)控制塊靜態(tài)分配常用堆分配也可靜態(tài)任務(wù)模型無(wú)任務(wù)概念時(shí)間觸發(fā)/事件觸發(fā)/周期任務(wù)搶占式/協(xié)作式任務(wù)調(diào)度方式順序輪詢固定優(yōu)先級(jí) 可選時(shí)間觸發(fā)的綜合調(diào)度優(yōu)先級(jí)搶占 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)隊(duì)列/信號(hào)量/事件自己寫(xiě)內(nèi)置用法簡(jiǎn)單內(nèi)置功能完整學(xué)習(xí)曲線無(wú)較低中等偏上適用場(chǎng)景邏輯極簡(jiǎn)的小產(chǎn)品中小型多任務(wù)、資源受限 MCU復(fù)雜系統(tǒng)、強(qiáng)實(shí)時(shí)、多外設(shè)QuarkTS 沒(méi)有內(nèi)存保護(hù)、沒(méi)有設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架、沒(méi)有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的概念。它更準(zhǔn)確的叫法其實(shí)是一個(gè)“調(diào)度核心”目標(biāo)是在盡量小的資源開(kāi)銷(xiāo)下把多任務(wù)調(diào)度這件事做扎實(shí)。你在 QuarkTS 里不會(huì)看到線程、信號(hào)量、互斥鎖滿天飛的那套完整 RTOS 語(yǔ)義取而代之的是事件觸發(fā)、時(shí)間觸發(fā)、隊(duì)列、信號(hào)量這些足夠日常用的原語(yǔ)。所以適用邊界也就清晰了如果你的單片機(jī)只有幾 KB 內(nèi)存外設(shè)模塊不超過(guò)十個(gè)希望快速實(shí)現(xiàn)多任務(wù)又不愿意被完整 RTOS 的配置細(xì)節(jié)淹沒(méi)QuarkTS 是很好的中間選擇。如果項(xiàng)目涉及復(fù)雜的文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、多級(jí)優(yōu)先級(jí)嵌套那還是老老實(shí)實(shí)上 FreeRTOS 或更完整的 RTOS別在調(diào)度器這一層省事。2. 移植前要看清的本質(zhì)QuarkTS 到底要求你提供哪些底層能力2.1 硬件依賴也就三樣?xùn)|西移植 QuarkTS 不需要特定的單片機(jī)型號(hào)它本身就設(shè)計(jì)成可以跑到任意有 C 編譯器的 MCU 上。從實(shí)際角度講硬件上有三樣?xùn)|西是必需的。第一一個(gè)穩(wěn)定的周期定時(shí)器中斷。這是 QuarkTS 的“心跳”所有時(shí)間觸發(fā)任務(wù)、超時(shí)判斷、隊(duì)列阻塞都依賴這個(gè) tick。我習(xí)慣把系統(tǒng) tick 配成 1ms這個(gè)粒度對(duì)大多數(shù)傳感器讀取、按鍵掃描、LED 控制都?jí)蛴?。如果你有?duì)時(shí)間精度要求特別高的模塊比如飛控的角速度積分或者音頻采樣那 1ms 就不夠了需要把 tick 周期調(diào)短到 100us 級(jí)別但代價(jià)是調(diào)度器本身的切換開(kāi)銷(xiāo)占比會(huì)變大任務(wù)切換頻繁時(shí) CPU 占用率會(huì)明顯升高。第二開(kāi)關(guān)中斷的能力。QuarkTS 內(nèi)部很多操作需要原子性比如就緒隊(duì)列的插入和移除必須先關(guān)中斷再操作操作完再恢復(fù)。在 Cortex-M 內(nèi)核上一般通過(guò)改寫(xiě) PRIMASK 或 BASEPRI 寄存器實(shí)現(xiàn)。第三一個(gè)足夠大的定時(shí)器計(jì)數(shù)器用來(lái)給任務(wù)提供周期計(jì)時(shí)。通常 MCU 自帶的 SysTick 或者通用定時(shí)器就夠了QuarkTS 本身不需要外部硬件輔助。選平臺(tái)的時(shí)候我的建議是第一步先別管性能挑一塊你手上最熟悉的開(kāi)發(fā)板把串口打印和定時(shí)器中斷都驗(yàn)證過(guò)的那塊板子拿來(lái)移植。移植內(nèi)核最怕的是“底層有問(wèn)題但不知道問(wèn)題在哪”你在熟悉的環(huán)境里做可以把變量壓縮到最小。2.2 QuarkTS 的“移植層”到底只有哪幾個(gè)函數(shù)打開(kāi) QuarkTS 源碼目錄你會(huì)看到它把平臺(tái)相關(guān)的部分單獨(dú)隔離出來(lái)了。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)是一個(gè)quarkts.c和一個(gè)quarkts.h作為內(nèi)核主體另外留了幾個(gè)由用戶實(shí)現(xiàn)的接口或者叫移植回調(diào)。不同小版本的接口名稱會(huì)有些出入但本質(zhì)就四類(lèi)一是 tick 中斷服務(wù)入口。定時(shí)器中斷觸發(fā)后你需要在這個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)里調(diào)用內(nèi)核的 tick 處理函數(shù)告訴內(nèi)核“一個(gè)時(shí)間片過(guò)去了”。不同版本的 QuarkTS 這個(gè)函數(shù)叫法可能是qOS_Tick()也可能是qTick()具體以你下載到的頭文件為準(zhǔn)。這個(gè)函數(shù)內(nèi)部要做就緒隊(duì)列更新、任務(wù)切換檢查所以你在中斷服務(wù)函數(shù)里除了調(diào)用它盡量不要干別的耗時(shí)的活。二是臨界區(qū)進(jìn)入和退出。QuarkTS 在修改就緒隊(duì)列、任務(wù)狀態(tài)時(shí)需要短暫地關(guān)掉中斷保證操作過(guò)程中不會(huì)被 tick 打斷。你通常只需要寫(xiě)兩組宏分別是進(jìn)入臨界區(qū)和退出臨界區(qū)然后在quarkts.h的移植配置區(qū)里把它映射好。三是可選的任務(wù)切換鉤子。在 Cortex-M 這類(lèi)需要顯式保存寄存器上下文的內(nèi)核上任務(wù)切換通常借助 PendSV 異常來(lái)完成。QuarkTS 本身自帶了一些通用切換代碼但不同編譯器、不同優(yōu)化等級(jí)下你可能需要微調(diào)一下內(nèi)聯(lián)匯編或者棧對(duì)齊方式。四是掛起和解掛調(diào)度器的能力。當(dāng)任務(wù)進(jìn)入一些長(zhǎng)時(shí)間阻塞的等待狀態(tài)時(shí)調(diào)度器可能要臨時(shí)把中斷里的切換動(dòng)作掛起來(lái)避免反復(fù)做無(wú)意義的上下文切換。這個(gè)功能有的版本會(huì)開(kāi)放給用戶有的版本內(nèi)部自己處理移植時(shí)留意一下宏開(kāi)關(guān)即可。2.3 以某 Cortex-M 內(nèi)核芯片為例底層映射怎么做我這里用一塊 Cortex-M0 內(nèi)核的國(guó)產(chǎn)開(kāi)發(fā)板作為例子說(shuō)明。Cortex-M0 沒(méi)有 BASEPRI 寄存器臨界區(qū)只能靠 PRIMASK 全關(guān)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼很簡(jiǎn)單/* port.c 示例 */ #include quarkts.h #include core_cm0.h void port_SysTick_Init(void) { /* 配置 SysTick 為 1ms 中斷時(shí)鐘源和處理頻率請(qǐng)按實(shí)際計(jì)算 */ SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); } void SysTick_Handler(void) { /* 進(jìn)入內(nèi)核 tick 處理 */ qOS_Tick(); }臨界區(qū)的宏可以這樣映射/* port.h 示例 */ #define QK_CRIT_ENTER() __disable_irq() #define QK_CRIT_EXIT() __enable_irq()內(nèi)核配置區(qū)里把這個(gè)宏關(guān)聯(lián)進(jìn)去即可。流程上就三步初始化定時(shí)器、定義 tick 中斷、實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)。后面再把內(nèi)核初始化、配置結(jié)構(gòu)體填好QuarkTS 就能在你的單片機(jī)上跑起來(lái)了。這里多說(shuō)一句Cortex-M3 和 M4 內(nèi)核的同學(xué)臨界區(qū)建議用 BASEPRI 方式而不是 PRIMASK 全關(guān)中斷因?yàn)?BASEPRI 可以只屏蔽低于某個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷讓真正緊急的中斷在臨界區(qū)期間也能響應(yīng)。這是后面調(diào)實(shí)時(shí)性時(shí)非常關(guān)鍵的一點(diǎn)。3. 實(shí)操過(guò)程從空工程到雙任務(wù)跑起來(lái)3.1 把源碼組織進(jìn)工程的小建議QuarkTS 源碼可以從代碼托管平臺(tái)下載找到發(fā)布版本的壓縮包。拿到手以后不要直接把整個(gè)目錄全部塞進(jìn)工程而是只復(fù)制真正用到的文件。我的習(xí)慣工程結(jié)構(gòu)是這樣my_quarkts_demo/ ├── core/ │ ├── quarkts.c │ ├── quarkts.h │ └── qassert.h ├── port/ │ ├── port.c │ └── port.h ├── app/ │ ├── main.c │ └── app_task.c └── mcu/ └── (你的芯片啟動(dòng)文件、外設(shè)庫(kù)等)這樣區(qū)分的好處是core目錄是內(nèi)核源碼永遠(yuǎn)不去改它port目錄放平臺(tái)相關(guān)代碼app目錄是業(yè)務(wù)邏輯。以后內(nèi)核版本升級(jí)時(shí)直接替換core目錄里的文件就行自己的業(yè)務(wù)代碼不受影響。我見(jiàn)過(guò)有人把 QuarkTS 的源碼和自己的業(yè)務(wù)邏輯混在一個(gè)文件里改最后升級(jí)源碼時(shí)痛苦不堪不建議這樣做。3.2 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)體這里填錯(cuò)最容易出怪問(wèn)題QuarkTS 啟動(dòng)之前一般要求填充一個(gè)全局配置結(jié)構(gòu)體告訴內(nèi)核你打算創(chuàng)建多少個(gè)任務(wù)、多少個(gè)隊(duì)列、多少個(gè)優(yōu)先級(jí)等級(jí)。不同版本的配置項(xiàng)名稱會(huì)有差異但核心參數(shù)逃不出下面這些。配置項(xiàng)推薦值說(shuō)明最大任務(wù)數(shù)視業(yè)務(wù)而定建議 8~16一次性把內(nèi)核可能用到的任務(wù)池開(kāi)夠優(yōu)先級(jí)等級(jí)數(shù)8 到 16不是越高越好等級(jí)越多調(diào)度鏈表越復(fù)雜最大事件組數(shù)業(yè)務(wù)需要每個(gè)事件組可以包含多個(gè)事件位最大消息隊(duì)列數(shù)業(yè)務(wù)需要通常給 4~8 個(gè)就夠tick 周期1ms具體以定時(shí)器配置為準(zhǔn)是否啟用搶占是需要實(shí)時(shí)響應(yīng)就開(kāi)邏輯極簡(jiǎn)可以關(guān)配置項(xiàng)設(shè)置偏小了運(yùn)行時(shí)會(huì)直接斷言失敗或者任務(wù)創(chuàng)建失敗設(shè)置偏大了RAM 會(huì)白占。你說(shuō)不清楚到底要多少的時(shí)候先用一個(gè)大點(diǎn)的值跑通功能再逐步調(diào)小觀察內(nèi)存占用。這個(gè)習(xí)慣能省掉很多調(diào)試時(shí)間。配置結(jié)構(gòu)體的填充代碼大致長(zhǎng)這樣qOS_Cfg_t app_qos_cfg; void app_qos_config_init(void) { app_qos_cfg.task_pool_size 16; app_qos_cfg.priority_levels 8; app_qos_cfg.use_preemption true; /* 其他成員按你的頭和實(shí)際需求補(bǔ)全 */ }配置完成以后調(diào)用內(nèi)核初始化然后啟動(dòng)調(diào)度器。順序一定要是初始化、配置、然后qOS_Run()進(jìn)入調(diào)度循環(huán)qOS_Run()之后你的入口函數(shù)就不需要返回了。3.3 創(chuàng)建第一個(gè)任務(wù)LED 閃爍驗(yàn)證 tick 鏈路我用一個(gè)最經(jīng)典的 LED 閃爍任務(wù)來(lái)驗(yàn)證整個(gè)移植鏈路是否通暢。第一版功能不求多只求能證明“內(nèi)核收到 tick、任務(wù)被調(diào)度、任務(wù)能周期運(yùn)行”。#include quarkts.h #include port.h qTCB_t tcb_led; qTCB_t tcb_printf; void task_led_run(qEvent_t evt, qTCB_t *tcb) { static uint8_t level 0; level !level; GPIO_WritePin(LED_PIN, level); } void task_printf_run(qEvent_t evt, qTCB_t *tcb) { /* 這里假設(shè)每 500ms 打印一次 */ printf(tick alive, led level toggled\n); } int main(void) { /* 1. 先初始化基礎(chǔ)硬件包括 tick 定時(shí)器 */ board_init(); port_SysTick_Init(); /* 2. 初始化內(nèi)核 */ qOS_Init(); app_qos_config_init(); qOS_Config(app_qos_cfg); /* 3. 創(chuàng)建任務(wù) 參數(shù)里的周期值在不同版本里含義略有區(qū)別 原則上是“間隔多少個(gè) tick 執(zhí)行一次”。 優(yōu)先級(jí)數(shù)字越小優(yōu)先級(jí)越高。 */ qTask_Create(task_led_run, 5, 20, tcb_led); qTask_Create(task_printf_run, 6, 500, tcb_printf); /* 4. 啟動(dòng)調(diào)度器不再返回 */ qOS_Run(); return 0; }上面代碼里我用的是語(yǔ)義化的 QuarkTS 風(fēng)格 API具體函數(shù)名和參數(shù)順序要對(duì)照你下載到的quarkts.h去看。第一次調(diào)試千萬(wàn)不要管那么多先把 LED 任務(wù)建出來(lái)把周期設(shè)為 20 個(gè) tick也就是用 1ms tick 算大概 20ms 閃爍一次。燒錄以后觀察 LED 是不是以可辨認(rèn)的周期翻轉(zhuǎn)。這一步跑通說(shuō)明 tick 中斷、內(nèi)核調(diào)度、任務(wù)上下文切換這一整條鏈路已經(jīng)打通了。這里我想強(qiáng)調(diào)一個(gè)容易誤解的點(diǎn)QuarkTS 的時(shí)間觸發(fā)任務(wù)它的“周期”通常是指任務(wù)被置為就緒狀態(tài)的時(shí)間間隔而不是從任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行到下次執(zhí)行之間的間隔。也就是說(shuō)如果你在一個(gè)周期任務(wù)里執(zhí)行了很長(zhǎng)時(shí)間比如超過(guò)了一個(gè)周期那任務(wù)的執(zhí)行起點(diǎn)會(huì)繼續(xù)按原始節(jié)拍移動(dòng)表現(xiàn)為“本次還沒(méi)跑完下一次就緒時(shí)間又快到了”。這與裸機(jī)delay的語(yǔ)義有本質(zhì)區(qū)別移植幾周后你調(diào)業(yè)務(wù)邏輯時(shí)這個(gè)概念必須刻在腦子里。3.4 用串口任務(wù)驗(yàn)證多任務(wù)下互不拖累第二個(gè)任務(wù)我經(jīng)常會(huì)做成周期打印任務(wù)每 500ms 打印一行字符。它的作用是驗(yàn)證兩個(gè)任務(wù)能并行跑并且一個(gè)任務(wù)執(zhí)行耗時(shí)不會(huì)污染另一個(gè)任務(wù)的周期。調(diào)試時(shí)有個(gè)實(shí)用技巧在 LED 任務(wù)和打印任務(wù)里各放一個(gè)計(jì)數(shù)器每執(zhí)行一次加一然后用調(diào)試器查看兩個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)值比例。如果你配置的周期比是 1:25那么最終計(jì)數(shù)器比例應(yīng)該非常接近 1:25。如果比例明顯不對(duì)說(shuō)明 tick 配置或者任務(wù)周期參數(shù)有偏差回頭檢查配置結(jié)構(gòu)體。串口打印任務(wù)在內(nèi)核剛移植成功時(shí)非常有價(jià)值但后面調(diào)正式業(yè)務(wù)時(shí)要注意不要在任務(wù)函數(shù)里頻繁調(diào)用printf因?yàn)橹囟ㄏ虻酱诘拇蛴⊥亲枞降囊粋€(gè) 115200 波特率下打印幾十個(gè)字符就要耗費(fèi)好幾毫秒嚴(yán)重時(shí)會(huì)把時(shí)間觸發(fā)任務(wù)的節(jié)奏拖亂。我的習(xí)慣是任務(wù)里只置一個(gè)標(biāo)記主循環(huán)或?qū)ｉT(mén)的打印任務(wù)再統(tǒng)一輸出。4. 從雙任務(wù)到真實(shí)應(yīng)用事件、隊(duì)列、軟定時(shí)器是怎么用的4.1 事件標(biāo)志中斷里喚醒任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)QuarkTS 的典型事件觸發(fā)場(chǎng)景是這樣的外部按鍵按下觸發(fā) GPIO 中斷中斷服務(wù)函數(shù)里不適合做復(fù)雜處理于是置一個(gè)事件標(biāo)志通知某個(gè)任務(wù)去執(zhí)行按鍵消抖和邏輯處理。事件標(biāo)志的使用思路和裸機(jī)里的“標(biāo)志位”很像區(qū)別在于它是內(nèi)核管理的對(duì)象可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行精準(zhǔn)喚醒而不是靠主循環(huán)輪詢。示意如下qEvent_t key_event; void EXTI_IRQHandler(void) { /* 清除中斷標(biāo)志等常規(guī)操作 */ qEvt_Signal(key_event); } void task_key_run(qEvent_t evt, qTCB_t *tcb) { while (1) { /* 等待事件阻塞在這里 */ qEvt_Wait(key_event, QWAIT_FOREVER); do_key_scan_and_handle(); } }從裸機(jī)過(guò)來(lái)的朋友請(qǐng)注意事件等待任務(wù)里的while (1)結(jié)構(gòu)和 QuarkTS 時(shí)間觸發(fā)任務(wù)不同。事件觸發(fā)任務(wù)如果從函數(shù)返回通常會(huì)被內(nèi)核認(rèn)為任務(wù)結(jié)束或者重新掛起具體行為取決于版本。你要養(yǎng)成習(xí)慣事件觸發(fā)任務(wù)寫(xiě)成“等待事件→處理→再等待”的循環(huán)結(jié)構(gòu)這個(gè)結(jié)構(gòu)在裸機(jī)里很別扭但在事件驅(qū)動(dòng)模型里非常自然。4.2 消息隊(duì)列任務(wù)間數(shù)據(jù)傳遞的正確做法事件標(biāo)志適合傳遞“發(fā)生了沒(méi)有”這種信息但如果要傳遞“發(fā)生了什么數(shù)據(jù)”就不夠了。比如串口接收中斷把一幀數(shù)據(jù)收進(jìn)來(lái)交給處理任務(wù)解析就需要消息隊(duì)列。qQueue_t uart_rx_queue; void UART_RX_IRQHandler(void) { uint8_t byte UART_ReadByte(); /* 隊(duì)列滿時(shí)返回失敗這里做簡(jiǎn)單丟棄處理 */ qQueue_Send(uart_rx_queue, byte, sizeof(byte)); } void task_uart_process(qEvent_t evt, qTCB_t *tcb) { uint8_t data; while (1) { if (qQueue_Receive(uart_rx_queue, data, sizeof(data), QWAIT_FOREVER)) { handle_rx_frame(data); } } }中斷里調(diào)用qQueue_Send時(shí)要注意一點(diǎn)如果隊(duì)列滿這個(gè)函數(shù)的行為取決于版本和配置有的直接返回失敗有的可能會(huì)在中斷里做等待。等待這個(gè)動(dòng)作在中斷上下文里是大忌會(huì)直接把系統(tǒng)卡住。所以無(wú)論內(nèi)核怎么處理你的業(yè)務(wù)代碼里都應(yīng)該在發(fā)送前檢查隊(duì)列是否有空間或者做好“滿則丟棄”的策略。4.3 軟件定時(shí)器比任務(wù)周期更靈活的控制手段有些場(chǎng)景不適合用周期任務(wù)比如“延時(shí) 300ms 后再做某個(gè)動(dòng)作”“超時(shí) 200ms 沒(méi)收到數(shù)據(jù)就算通信失敗”。這類(lèi)一次性或單次觸發(fā)的定時(shí)需求QuarkTS 提供了軟件定時(shí)器原語(yǔ)。軟件定時(shí)器的底層仍然是 tick 計(jì)數(shù)但使用上比創(chuàng)建一個(gè)完整任務(wù)輕量得多。典型的創(chuàng)建方式是在初始化階段注冊(cè)一個(gè)定時(shí)器回調(diào)函數(shù)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置超時(shí) tick 數(shù)。到了時(shí)間后內(nèi)核回調(diào)你的函數(shù)你可以在里面置事件標(biāo)志、發(fā)隊(duì)列、或者直接執(zhí)行短邏輯。注意回調(diào)函數(shù)是在內(nèi)核上下文里執(zhí)行的不能阻塞不能做耗時(shí)操作比較重的操作應(yīng)該在回調(diào)里“通知任務(wù)去做”。5. 移植過(guò)程中最常翻車(chē)的點(diǎn)問(wèn)題排查與調(diào)優(yōu)經(jīng)驗(yàn)5.1 任務(wù)完全不跑十有八九是 tick 鏈路斷了移植 QuarkTS 之后最打擊人的現(xiàn)象就是程序跑起來(lái)LED 不閃串口不打印一切看起來(lái)都沒(méi)反應(yīng)。查這一步問(wèn)題要按鏈路順序來(lái)。先確認(rèn)定時(shí)器中斷有沒(méi)有真正觸發(fā)。在中斷服務(wù)函數(shù)里加一個(gè) IO 翻轉(zhuǎn)用示波器看波形如果 IO 不翻轉(zhuǎn)說(shuō)明定時(shí)器配置有問(wèn)題內(nèi)核喊破嗓子也沒(méi)用。確認(rèn)中斷觸發(fā)之后再確認(rèn)中斷服務(wù)函數(shù)里有沒(méi)有調(diào)用 QuarkTS 的 tick 處理函數(shù)。有些用戶移植時(shí)把中斷服務(wù)函數(shù)名字寫(xiě)錯(cuò)了比如平臺(tái)庫(kù)要求的名字和編譯器啟動(dòng)文件里的名字不一致中斷根本沒(méi)掛上。另外常見(jiàn)的一個(gè)坑是定時(shí)器中斷里忘了清除中斷標(biāo)志。SysTick 一般不需要手動(dòng)清標(biāo)志但通用定時(shí)器基本都要寫(xiě)清除寄存器。標(biāo)志沒(méi)清中斷會(huì)反復(fù)進(jìn)入QuarkTS 內(nèi)部狀態(tài)被連續(xù)推進(jìn)任務(wù)表現(xiàn)就會(huì)異常比如周期明顯變短或者優(yōu)先級(jí)錯(cuò)亂。5.2 搶占調(diào)度不生效先查優(yōu)先級(jí)配置再查臨界區(qū)長(zhǎng)度如果你配置的任務(wù)已經(jīng)有高低優(yōu)先級(jí)之分但高優(yōu)先級(jí)任務(wù)并沒(méi)有搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)先從兩個(gè)方向排查。第一確認(rèn)內(nèi)核的搶占調(diào)度開(kāi)關(guān)已經(jīng)打開(kāi)。有些版本默認(rèn)是協(xié)作式調(diào)度高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須等低優(yōu)先級(jí)任務(wù)主動(dòng)讓出 CPU 才有機(jī)會(huì)運(yùn)行此時(shí)任務(wù)的執(zhí)行順序還是“排隊(duì)”的感知不到搶占。第二確認(rèn) tick 中斷可以打斷當(dāng)前任務(wù)。搶占的前提是 tick 中斷在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒后能打斷正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。如果你的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)里有一段比較長(zhǎng)的臨界區(qū)而且臨界區(qū)里把中斷關(guān)了那這段臨界區(qū)里發(fā)生的任何高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒事件都要等臨界區(qū)退出后才能被響應(yīng)。這本質(zhì)是優(yōu)先級(jí)被臨界區(qū)延后了不是內(nèi)核的 bug但容易誤判。排查時(shí)可以設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試低優(yōu)先級(jí)任務(wù)里做個(gè) 10ms 的忙等高優(yōu)先級(jí)任務(wù)每 2ms 翻轉(zhuǎn)一次 IO。如果 IO 波形在這 10ms 內(nèi)出現(xiàn)中斷缺失說(shuō)明有臨界區(qū)過(guò)長(zhǎng)或者中斷被屏蔽的問(wèn)題。逐段注釋業(yè)務(wù)代碼很快就能定位到是哪一段關(guān)過(guò)中斷。5.3 時(shí)間觸發(fā)任務(wù)抖動(dòng)先懷疑打印和模塊執(zhí)行時(shí)間時(shí)間觸發(fā)任務(wù)最理想的運(yùn)行情況是“每 20ms 在任何情況下都準(zhǔn)點(diǎn)啟動(dòng)”但很多因素會(huì)造成抖動(dòng)。最常見(jiàn)的是任務(wù)內(nèi)部執(zhí)行時(shí)間太長(zhǎng)導(dǎo)致本次還沒(méi)跑完下一次 tick 就緒標(biāo)志已經(jīng)來(lái)了。這時(shí)候任務(wù)會(huì)表現(xiàn)為“連續(xù)執(zhí)行”“周期錯(cuò)亂”看起來(lái)就像系統(tǒng)控制不住自己。解決思路有兩個(gè)方向。一是給任務(wù)內(nèi)耗時(shí)的模塊做拆分把重活拆給多個(gè)任務(wù)級(jí)聯(lián)處理二是適當(dāng)調(diào)大周期任務(wù)的周期值給任務(wù)留足執(zhí)行余量保證在一個(gè)周期內(nèi)完成任務(wù)且有空閑余量。還有一個(gè)容易忽視的因素任務(wù)里的調(diào)試打印。調(diào)試階段用串口打印特別爽但一個(gè)printf可能占用幾十萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘周期把本來(lái)美如畫(huà)的時(shí)間觸發(fā)表完全打亂。我的習(xí)慣是調(diào)實(shí)時(shí)性的時(shí)候把打印任務(wù)單獨(dú)做成低優(yōu)先級(jí)任務(wù)或者干脆用調(diào)試器在線看變量別讓打印干擾時(shí)間敏感任務(wù)。5.4 跑一段時(shí)間隨機(jī)死機(jī)查棧溢出和內(nèi)存越界內(nèi)核本身資源開(kāi)銷(xiāo)很小但如果業(yè)務(wù)任務(wù)函數(shù)里使用了較大的局部數(shù)組或者調(diào)用了遞歸函數(shù)任務(wù)棧就很容易爆掉。QuarkTS 的任務(wù)棧內(nèi)存可以來(lái)源于靜態(tài)數(shù)組也可以來(lái)源于配置好的內(nèi)存池棧溢出不一定馬上崩潰往往是某次臨界區(qū)嵌套或者長(zhǎng)中斷之后突然復(fù)位排查起來(lái)很頭疼。我的排查順序是這樣的先看編譯器的鏈接 MAP 文件確認(rèn) QuarkTS 的任務(wù)棧區(qū)域分配在哪個(gè)段以及總 RAM 占用率是多少。再在任務(wù)函數(shù)入口放一個(gè)棧高水位標(biāo)記周期性檢查任務(wù)棧剩余空間。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)任務(wù)棧剩余空間一直在下降說(shuō)明這個(gè)任務(wù)的局部變量太大或者調(diào)用鏈太深需要加大棧配置或者優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)。另外要特別注意不要在任務(wù)函數(shù)里動(dòng)態(tài)分配大塊內(nèi)存不要在中斷里調(diào)用可能分配內(nèi)存的函數(shù)。QuarkTS 默認(rèn)不依賴 malloc 的輕量特征一旦你自己開(kāi)了動(dòng)態(tài)內(nèi)存就可能引入堆碎片問(wèn)題表現(xiàn)為“跑幾天才崩一次”這種問(wèn)題比棧溢出更隱蔽。5.5 一張自檢清單移植前逐項(xiàng)打鉤檢查項(xiàng)做法tick 周期是否滿足業(yè)務(wù)精度用定時(shí)器實(shí)測(cè)別依賴?yán)碚撚?jì)算定時(shí)器中斷標(biāo)志是否清除檢查芯片手冊(cè)確認(rèn)清標(biāo)志寄存器中斷服務(wù)函數(shù)名是否匹配對(duì)比啟動(dòng)文件別寫(xiě)錯(cuò)名字臨界區(qū)是否嵌套安全確認(rèn)退出時(shí)能正確恢復(fù)原狀態(tài)優(yōu)先級(jí)數(shù)量是否覆蓋所有任務(wù)只多不少避免運(yùn)行期斷言失敗時(shí)間觸發(fā)任務(wù)是否有足夠執(zhí)行余量周期要大于任務(wù)最壞執(zhí)行時(shí)間任務(wù)內(nèi)是否用了阻塞式 printf實(shí)時(shí)性敏感場(chǎng)景下嚴(yán)禁棧高水位是否監(jiān)控上線前至少做 72 小時(shí)壓力測(cè)試如果你遇到的問(wèn)題不在上面列表里還有一個(gè)笨但有效的辦法把業(yè)務(wù)任務(wù)一個(gè)個(gè)注釋掉只剩 LED 心跳任務(wù)看問(wèn)題是否復(fù)現(xiàn)。如果復(fù)現(xiàn)問(wèn)題在內(nèi)核移植配置層面如果不復(fù)現(xiàn)了問(wèn)題在某一個(gè)業(yè)務(wù)任務(wù)里。這種二分排除法在嵌入式排障中永遠(yuǎn)不過(guò)時(shí)。移植 QuarkTS 這件事本質(zhì)上是在一個(gè)已經(jīng)足夠好用的裸機(jī)循環(huán)之上增加了一層“調(diào)度維度”。一旦這條鏈路打通你會(huì)發(fā)現(xiàn)寫(xiě)多任務(wù) Demo 的速度明顯變快很多以前靠狀態(tài)機(jī)硬啃的邏輯現(xiàn)在拆成幾個(gè)事件觸發(fā)任務(wù)就清清楚楚了。我個(gè)人實(shí)際體會(huì)是不要一上來(lái)就追求把所有業(yè)務(wù)都塞進(jìn) QuarkTS先花半天把雙任務(wù)和串口打印鏈路跑通再逐步把按鍵、顯示、通信模塊一個(gè)一個(gè)遷進(jìn)來(lái)。每一步都有可觀測(cè)的現(xiàn)象每遷完一個(gè)模塊就打包驗(yàn)證一次這個(gè)節(jié)奏比一次性大改造穩(wěn)妥得多。后續(xù)如果想把 CPU 占用率、任務(wù)調(diào)度延遲這些指標(biāo)做可視化也可以考慮接一個(gè)輕量級(jí)調(diào)試工具但那是移植成功之后的故事了。