【STM32H7的ThreadX内核教程】第3章 ThreadX操作系统介绍

席萌0209

第3章    ThreadX操作系统介绍
本章节介绍 ThreadX 操作系统，让大家对 ThreadX 有一个整体的了解。
3.1 初学者重要提示
3.2 Express Logic公司介绍
3.3 ThreadX简介
3.4 ThreadX各行各业应用案例
3.5 ThreadX论坛
3.6 总结


3.1    初学者重要提示

•    ThreadX是小型RTOS的巅峰之作，通过了各行各业的安全认证，并且大部分都是最高安全标准。
•    ThreadX为其微内核架构（picokernel™ architecture）,抢占阀值调度（preemption-threshold™ scheduling）, 事件链（event-chaining™）注册了商标。
  

3.2    Express Logic公司介绍
ThreadX的作者是William lamie（同样是Nucleus RTOS的原始作者，于1990年发布）。1996的时候成立了Express Logic，并于1997发布首版ThreadX RTOS。

•     ThreadX4发布于2001年，ThreadX5发布于2005年，ThreadX6发布于2020年。
•     FileX – ThreadX的嵌入式文件系统于1999年发布首版。
•     NetX – ThreadX的嵌入式TCP / IP网络协议栈于2002年发布首版。
•     USBX – ThreadX的嵌入式USB协议栈于2004年发布首版。
•     2009年推出了适用于SMP多核环境的ThreadX。
•     2011年发布支持动态应用加载的ThreadX Modules。
•     GUIX – ThreadX的嵌入式UI于2014年发布首版。
•     Microsoft在2019年4月18日以未公开的价格购买了Express Logic。
  

3.2.1    FileX文件系统
ThreadX的文件系统非常强劲，通过了各行各业的高等级安全认证。其它文件系统别说安全认证了，安全措施都不多，甚至没有。

规格如下：

再看API，一个文件系统竟然提供了230多个，仅异常处理的API就有20个（一个文件一个API）

更详细的介绍看此贴：https://rtos.com/solutions/filex/embedded-file-system/。

3.2.2    NetX网络协议栈
ThreadX的网络协议栈对其它网络协议栈几乎是碾压性优势。一张图，几乎涵盖了我们日常项目大部分应用：

各个行业的安全认证：

物联网协议方向安全认证：

加密库也做了认证：

更多介绍可以看此贴：https://rtos.com/solutions/netx-duo/embedded-network-stack/ 。

3.2.3    USBX协议栈
USB协议栈也不错，日常用的功能也齐全

规格如下：

更多介绍可以看此贴：https://rtos.com/solutions/usbx/embedded-usb/

3.2.4    GUIX图形界面
GUIX用于图形界面设计，功能强劲，特别是配套的图形界面开发软件GUIX Studio，可以添加设置各种主题，各种界面效果，各种字体展示，各种图片格式设置，真的是一条龙，非常方便。而且GUIX有各种安全认证。
GUIX通过了医疗认证IEC-62304 Class C，汽车认证IEC-61508 ASIL D，工业认证IEC-61508 SIL 4和运输/铁路认证EN50128，表明GUIX可用于安全关键型系统。

规格如下:

更详细的介绍地址：https://rtos.com/solutions/guix/embedded-gui/。

3.2.5    LevelX擦写均衡保护层
LevelX为NAND和NOR型Flash提供擦写均衡支持，并且对于NAND型，还支持ECC校验和坏块管理。
由于NAND和NOR型Flash擦除次数是有限的，因此均匀分配闪存使用至关重要。这通常称为擦写均衡，LevelX为此而生。LevelX向用户提供一个逻辑扇区阵列，这些逻辑扇区映射到LevelX内部的物理闪存。应用程序可以将LevelX与FileX结合使用，也可以直接读取/写入逻辑扇区。LevelX专为容错而设计。Flash更新是分多个步骤进行的，每个步骤都可以中断。在下一次操作期间，LevelX自动恢复到最佳状态。

3.3    ThreadX简介
ThreadX是先进的工业级实时操作系统，专为深度嵌入式，实时应用和IoT应用而设计。ThreadX提供了高级调度，通信，同步，计时器，内存管理和中断管理功能。此外，ThreadX具有许多高级功能，包括微内核架构（picokernel™ architecture）,抢占阀值调度（preemption-threshold™ scheduling）, 事件链（event-chaining™），执行时性能分析，性能指标以及系统事件跟踪。结合其易用性，ThreadX是苛刻的嵌入式应用理想选择。
62亿电子设备采用，是其它RTOS无法逾越的高山。ThreadX的产品涵盖了各种领域，包括NASA的多个太空探测项目，飞机自动驾驶仪系统，火星侦察轨道器等。

注：内核技术picokernel™ architecture，preemption-threshold™ scheduling和event-chaining™已经被ThreadX注册了商标。

3.3.1    内存需求
ThreadX最小空间需要2KB Flash空间和1KB RAM空间。这主要得益于ThreadX内核非分层的Picokernel™微内核架构和可裁剪性。
ThreadX内核各个组件需要的Flash空间如下：

3.3.2    API命名规则
ThreadX的函数命名规则是：Noun-verb naming convention （名词动词命名约定）。根据这个命名规格，我们实际看下个API，比如：tx_thread_create ，前缀tx，名词thread_，动词create。再看下面API截图（部分函数截图）：

基本也都符合这个命名规则。

3.3.3    实时性
ThreadX在大多数流行的处理器上实现了亚微秒的上下文切换时间。除了速度快之外，ThreadX还具有高度确定性。无论准备好200个线程还是仅准备一个线程，它都能实现相同的快速性能。
以下是ThreadX的一些典型性能特征：

•     快速启动：
  

ThreadX的启动时间少于120个周期。

•     可选的错误检查机制：
  

当验证了应用程序代码并且不再需要对每个参数进行错误检查时，可以在编译时跳过ThreadX错误检查，优化性能。

•     Picokernel™ Design（微内核设计）：
  

服务不会彼此套用，从而消除了不必要的函数调用开销。

•     优化的中断处理：
  

除非需要抢占，否则仅在ISR进入/退出时才保存/恢复暂存寄存器。

•     优化的API处理：
  

测试平台：200MHz处理器。

3.3.4    安全认证
ThreadX及其所有中间件的安全认证等级，至今没有一款小型RTOS可以与其匹敌。这么多安全认证，公司要入大量财力，人力和物力才可以完成，早前Micrium的一篇文章还谈过这个问题，投入了太多资金和人力了，还与风河的VxWorks做了简单对比。
（1）医疗 - FDA510（k），IEC-62304 Class C，IEC-60601，ISO-14971
（2）工业 - UL-1998，IEC-61508 SIL 4
（3）运输/铁路 - EN50128 SIL 4，BS50128,  49CFR236，IEC-61508
（4）航空航天设备 - DO-178B，ED-12B，DO-278
（5）汽车 - IEC-61508 ASIL D
（6）核应用 - IEC-61508
（7）家电 - UL/IEC 60730/60335

ThreadX的安全认证基本都达到了最高等级，像工业级认证IEC-61508达到了最高等级的SIL4，而uCOS，RTX5，embOS都是SIL3。
除了ThreadX内核有安全认证，中间件GUIX，FileX，NetX，甚至是加密库都有安全认证。在安全领域，ThreadX基本已经做到了登峰造极。

3.3.5    高级特性
ThreadX高级特性里面最具代表性的是抢占式阀值调度Preemption-Threshold™，此功能是ThreadX独有的功能，并且已成为广泛学术研究的主题。比如此贴的介绍：
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=99801 。
具体如下：

•     完善的多任务机制：
  

线程，定时器组，消息队列，计数信号量，互斥信号量，事件标志组，块型内存池和字节型内存池。

•     支持基于优先级的抢占式调度。
•     支持1024个优先级设置。
•     支持合作调度。
•     Preemption-Threshold™抢占式阀值调度，ThreadX独有的功能，有助于确保可调度性并减少上下文切换。
•     内存保护。
•     完全确定性，确定性是指在在定义的时间内处理事件和中断，ThreadX提供完全确定性的行为，这意味着在预定义时间内（期限）处理事件和中断。
•     事件跟踪，记录最近的n个系统/应用程序事件。
•     Event Chaining™事件链，为每个ThreadX通信或同步对象注册一个专用的应用程序回调函数。
•     动态应用加载。
•     运行时性能指标展示：
  

（1）恢复的任务个数。
（2）挂起的任务个数。
（3）请求的线程抢占次数。
（4）异步线程中断抢占次数。
（5）线程优先级反转次数。
（6）线程释放CPU权次数。

•     执行配置文件套件（EPK）。
•     独立的中断栈。
•     运行时堆栈分析。
•     优化的定时器中断处理。
  

3.3.6    简单易用
ThreadX简单易用，API既直观又功能强大，并且所有API都遵循名词-动词命名约定。此外，整个API都具有功能一致性。例如，所有挂起的API都有一个可选的超时时间配置，对于API而言，超时的功能相同。
构建ThreadX应用程序也比较简单。教程的后面章节中，大家会体会到。ThreadX也有官方为其配套的用户手册。

3.3.7    多核支持（AMP&SMP）
ThreadX通常以非对称多处理（Asymmetric Multiprocessing, AMP）方式使用，其中ThreadX和应用程序（或其它系统）的单独在每个内核上执行，并通过共享内存或处理器间通信机制来相互通信，比如OpenAMP（ThreadX支持OpenAMP）。这是使用ThreadX的最典型多核配置，如果应用程序能够有效地加载处理器，则它可能是最高效的。
对于处理器高度动态加载的环境，ThreadX对称多处理（Symetric Multiprocessing，SMP）可用于以下内核：

•     ARM Cortex-Ax
•     ARM Cortex-Rx
•     ARM Cortex-A5x 64位
•     MIPS 34K，1004K和interAptiv
•     PowerPC
•     Synopsys ARC HS
•     x86
  

ThreadX SMP在n个处理器之间执行动态负载平衡，并允许任何Core上的任何线程访问所有ThreadX资源（队列，信号量，事件标志，内存池等）。ThreadX SMP在所有内核上启用完整的API，并引入了适用于SMP操作的以下新API：

1. UINT tx_thread_smp_core_exclude(TX_THREAD *thread_ptr, ULONG exclusion_map);
   
2. UINT tx_thread_smp_core_exclude_get(TX_THREAD *thread_ptr, ULONG *exclusion_map_ptr);
   
3. UINT tx_thread_smp_core_get(void);
   
4. UINT tx_timer_smp_core_exclude(TX_TIMER *timer_ptr, ULONG exclusion_map);
   
5. UINT tx_timer_smp_core_exclude_get(TX_TIMER *timer_ptr, ULONG *exclusion_map_ptr);
   

复制代码

3.3.8    应用程序动态加载，类似安卓APP
ThreadX MODULES可以使一个或多个应用程序线程可以捆绑到一个“模块（MODULES）”中，该模块可以在目标上动态加载和运行（或就地执行）。
ThreadX MODULES启用现场升级（field upgrade），错误修复和程序分区，以允许大型应用程序仅占用活动线程所需的内存。
ThreadX MODULES还具有与ThreadX本身完全独立的地址空间。这使ThreadX可以在MODULES周围放置内存保护（通过MPU或MMU），这样模块外部的意外访问将无法破坏任何其他软件组件。

3.3.9    快速推向市场
ThreadX易于安装，学习，使用，调试，验证，认证和维护。因此，根据嵌入式市场预测专家（EMF）的调查， ThreadX在过去七年中一直是领先的上市时间RTOS。调查一致显示，使用ThreadX的设计中有70％可以按时投放市场-超过了所有其他RTOS。
可以快速推向市场的原因：

•     高质量文档。
•     完整的源代码。
•     易于使用的API。
•     高级特性。
•     广泛的第三方工具集成–特别是IAR。
  

3.3.10    高质量源代码
从一开始，ThreadX就被设计为工业级RTOS，并附带完整的C源代码。ThreadX源代码在质量和易于理解方面树立了标杆。此外，一个函数一个源文件的方式，大大方便用户查阅浏览。
ThreadX遵守严格的编码规范，包括要求每行C代码都必须有有意义的注释。此外，ThreadX源码已通过最高标准的认证。

3.3.11    MISRA兼容
ThreadX和ThreadX SMP源代码符合MISRA-C：2004和MISRA C：2012。MISRA C是C语言编程规范，最初的MISRA C指南主要针对汽车应用。但是，MISRA C现在被广泛认为适用于任何对安全性要求很高的应用。ThreadX符合MISRA-C：2004和MISRA C：2012的所有必需和强制性规则。

3.3.12    支持的硬件平台
ThreadX在开箱即用，可以在各种主流的32/64位处理器上运行。经过全面测试和完全支持的平台如下：

3.4    ThreadX各行各业应用案例
ThreadX官网给出了航空航天，工业，汽车，医疗，消费电子，物联网，片上系统等方向的具体案例 ： https://rtos.com/x-ware-showcase/

以消费电子方向为例，三星，NEST，HTC等都是其客户，对应的产品也非常多。并且这些产品的直接使用ThreadX全套，基本ThreadX有的，就不再使用第三方组件：

   

3.5    ThreadX论坛
针对ThreadX，专门建立了论坛版块：
http://www.armbbs.cn/forum.php?mod=forumdisplay&fid=12。
当然，大家也可以上GUIX的官方Github开源地址提交问题：
https://github.com/azure-rtos 。

3.6    总结
关于ThreadX就跟大家介绍这么多，更详细的可以上我们的论坛进一步讨论。