9. 空闲线程与阻塞延时的实现

在上一章节中，线程体内的延时使用的是软件延时，即还是让CPU空等来达到延时的效果。使用RTOS的很大优势就是榨干CPU的性能， 永远不能让它闲着，线程如果需要延时也就不能再让CPU空等来实现延时的效果。RTOS中的延时叫阻塞延时， 即线程需要延时的时候，线程会放弃CPU的使用权，CPU可以去干其它的事情，当线程延时时间到， 重新获取CPU使用权，线程继续运行，这样就充分地利用了CPU的资源，而不是干等着。

当线程需要延时，进入阻塞状态，那CPU又去干什么事情了？如果没有其它线程可以运行，RTOS都会为CPU创建一个空闲线程， 这个时候CPU就运行空闲线程。在RT-Thread中，空闲线程是系统在初始化的时候创建的优先级最低的线程， 空闲线程主体主要是做一些系统内存的清理工作。但是为了简单起见，我们本章实现的空闲线程只是对一个全局变量进行计数。 鉴于空闲线程的这种特性，在实际应用中，当系统进入空闲线程的时候，可在空闲线程中让单片机进入休眠或者低功耗等操作。

9.1. 实现空闲线程

9.1.1. 定义空闲线程的栈

空闲线程的栈在idle.c（idle.c第一次使用需要自行在文件夹rtthread3.0.3src中新建并添加到工程的rtt/source组）文件中定义，具体见 代码清单9-1。

代码清单9-1 定义空闲线程的栈
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#include <rtthread.h>
#include <rthw.h>

#define IDLE_THREAD_STACK_SIZE      512

ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
static rt_uint8_t rt_thread_stack[IDLE_THREAD_STACK_SIZE];

代码清单9-1 （1）：空闲线程的栈是一个定义好的数组，大小由IDLE_THREAD_STACK_SIZE这个宏控制，默认为512，即128个字。

9.1.2. 定义空闲线程的线程控制块

线程控制块是每一个线程必须的，空闲线程的的线程控制块在idle.c中定义，是一个全局变量，具体见 代码清单9-2。

代码清单9-2 定义空闲线程的线程控制块
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/* 空闲线程的线程控制块 */
struct rt_thread idle;

9.1.3. 定义空闲线程函数

在RT-Thread中空闲线程函数主要是做一些系统内存的清理工作，但是为了简单起见， 我们本章实现的空闲线程只是对一个全局变量rt_idletask_ctr进行计数，rt_idletask_ctr在idle.c中定义， 默认初始值为0。空闲线程函数在idle.c定义，具体实现见 代码清单9-3。

代码清单9-3 空闲线程函数
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rt_ubase_t  rt_idletask_ctr = 0;

void rt_thread_idle_entry(void *parameter)
{
    parameter = parameter;
    while (1)
    {
        rt_idletask_ctr ++;
    }
}

9.1.4. 空闲线程初始化

当定义好空闲线程的栈，线程控制块和函数主体之后，我们需要空闲线程初始化函数将这三者联系在一起， 这样空闲线程才能够被系统调度，空闲线程初始化函数在idle.c定义，具体实现见 代码清单9-4。

代码清单9-4 空闲线程初始化
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void rt_thread_idle_init(void)
{

    /* 初始化线程 */                                  (1)
    rt_thread_init(&idle,
                "idle",
                rt_thread_idle_entry,
                RT_NULL,
                &rt_thread_stack[0],
                sizeof(rt_thread_stack));

    /* 将线程插入到就绪列表 */                        (2)
    rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX-1]),&(idle.tlist) );
}

代码清单9-4(1)：创建空闲线程。

代码清单9-4(2) ：将空闲线程插入到就绪列表的末尾。在下一章我们会支持优先级， 空闲线程默认的优先级是最低的，即排在就绪列表的最后面。

9.2. 实现阻塞延时

阻塞延时的阻塞是指线程调用该延时函数后，线程会被剥离CPU使用权，然后进入阻塞状态，直到延时结束， 线程重新获取CPU使用权才可以继续运行。在线程阻塞的这段时间，CPU可以去执行其它的线程，如果其它的线程也在延时状态， 那么CPU就将运行空闲线程。阻塞延时函数在thread.c中定义，具体代码实现见 代码清单9-5。

代码清单9-5 阻塞延时代码
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void rt_thread_delay(rt_tick_t tick)
{
    struct rt_thread *thread;

    /* 获取当前线程的线程控制块 */
    thread = rt_current_thread;                  (1)

    /* 设置延时时间 */
    thread->remaining_tick = tick;               (2)

    /* 进行系统调度 */
    rt_schedule();                               (3)
}

代码清单9-5 (1)：获取当前线程的线程控制块。rt_current_thread是一个在scheduler.c 定义的全局变量，用于指向当前正在运行的线程的线程控制块。

代码清单9-5 (2)：remaining_tick是线程控制块的一个成员，用于记录线程需要延时的时间， 单位为SysTick的中断周期。比如我们本书当中SysTick的中断周期为10ms， 调用rt_thread_delay(2)则完成2*10ms的延时。线程的定义具体见 代码清单9-6。

代码清单9-6 remaining_tick定义
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struct rt_thread
{
    /* rt 对象 */
    char        name[RT_NAME_MAX];    /* 对象的名字 */
    rt_uint8_t  type;                 /* 对象类型 */
    rt_uint8_t  flags;                /* 对象的状态 */
    rt_list_t   list;                 /* 对象的列表节点 */
    rt_list_t   tlist;                /* 线程链表节点 */
    void        *sp;                      /* 线程栈指针 */
    void        *entry;                   /* 线程入口地址 */
    void        *parameter;           /* 线程形参 */
    void        *stack_addr;          /* 线程起始地址 */
    rt_uint32_t stack_size;           /* 线程栈大小，单位为字节 */

    rt_ubase_t  remaining_tick;       /* 用于实现阻塞延时 */
};

代码清单9-5 (3)：系统调度。这个时候的系统调度与上一章节的不一样，具体见 代码清单9-7， 其中高亮部分为上一章节的代码，现已用条件编译屏蔽掉。

代码清单9-7 系统调度
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extern struct rt_thread idle;
extern struct rt_thread rt_flag1_thread;
extern struct rt_thread rt_flag2_thread;

/* 系统调度 */
void rt_schedule(void)
{
    struct rt_thread *to_thread;
    struct rt_thread *from_thread;

#if 0
    /* 两个线程轮流切换 */
    if( rt_current_thread == rt_list_entry( rt_thread_priority_table[0].next,
                                            struct rt_thread,
                                            tlist) )
    {
        from_thread = rt_current_thread;
        to_thread = rt_list_entry( rt_thread_priority_table[1].next,
                                struct rt_thread,
                                tlist);
    rt_current_thread = to_thread;
    }
    else
    {
        from_thread = rt_current_thread;
        to_thread = rt_list_entry( rt_thread_priority_table[0].next,
                                struct rt_thread,
                                tlist);
    rt_current_thread = to_thread;
    }
#else

    /* 如果当前线程是空闲线程，那么就去尝试执行线程1或者线程2，
    看看他们的延时时间是否结束，如果线程的延时时间均没有到期，
    那就返回继续执行空闲线程 */
    if( rt_current_thread == &idle )                            (1)
    {
        if(rt_flag1_thread.remaining_tick == 0)
        {
            from_thread = rt_current_thread;
            to_thread = &rt_flag1_thread;
            rt_current_thread = to_thread;
        }
        else if(rt_flag2_thread.remaining_tick == 0)
        {
            from_thread = rt_current_thread;
            to_thread = &rt_flag2_thread;
            rt_current_thread = to_thread;
        }
        else
        {
            return;         /* 线程延时均没有到期则返回，继续执行空闲线程 */
        }
    }
    else /* 当前线程不是空闲线程则会执行到这里 */              (2)
    {
        /*如果当前线程是线程1或者线程2的话，检查下另外一个线程,如果另外的线程不在延时中，就切换到该线程
        否则，判断下当前线程是否应该进入延时状态，如果是的话，就切换到空闲线程。否则就不进行任何切换 */
        if(rt_current_thread == &rt_flag1_thread)
        {
            if(rt_flag2_thread.remaining_tick == 0)
            {
                from_thread = rt_current_thread;
                to_thread = &rt_flag2_thread;
                rt_current_thread = to_thread;
            }
            else if(rt_current_thread->remaining_tick != 0)
            {
                from_thread = rt_current_thread;
                to_thread = &idle;
                rt_current_thread = to_thread;
            }
            else
            {
                return;             /* 返回，不进行切换，因为两个线程都处于延时中 */
            }
        }
        else if(rt_current_thread == &rt_flag2_thread)
        {
            if(rt_flag1_thread.remaining_tick == 0)
            {
                from_thread = rt_current_thread;
                to_thread = &rt_flag1_thread;
                rt_current_thread = to_thread;
            }
            else if(rt_current_thread->remaining_tick != 0)
            {
                from_thread = rt_current_thread;
                to_thread = &idle;
                rt_current_thread = to_thread;
            }
            else
            {
                return;             /* 返回，不进行切换，因为两个线程都处于延时中 */
            }
        }
    }
#endif
    /* 产生上下文切换 */
    rt_hw_context_switch((rt_uint32_t)&from_thread->sp,(rt_uint32_t)&to_thread->sp);
}

代码清单9-7(1)：如果当前线程是空闲线程，那么就去尝试执行线程1或者线程2， 看看他们的延时时间是否结束，如果线程的延时时间均没有到期，那就返回继续执行空闲线程。

代码清单9-7(2)：如果当前线程是线程1或者线程2的话，检查下另外一个线程， 如果另外的线程不在延时中，就切换到该线程。否则，判断下当前线程是否应该进入延时状态， 如果是的话，就切换到空闲线程，否则就不进行任何切换 。

代码清单9-7(3)：系统调度，实现线程的切换。

9.3. SysTick_Handler中断服务函数

在系统调度函数rt_schedule()中，会判断每个线程的线程控制块中的延时成员remaining_tick的值是否为0， 如果为0就要将对应的线程就绪，如果不为0就继续延时。如果一个线程要延时，一开始remaining_tick肯定不为0， 当remaining_tick变为0的时候表示延时结束，那么remaining_tick是以什么周期在递减？在哪里递减？ 在RT-Thread中，这个周期由SysTick中断提供，操作系统里面的最小的时间单位就是SysTick的中断周期， 我们称之为一个tick，SysTick中断服务函数我们放在main.c中实现，具体见 代码清单9-8。

代码清单9-8 SysTick_Handler中断服务函数
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/* 关中断 */
rt_hw_interrupt_disable();                                   (1)

/* SysTick中断频率设置 */
SysTick_Config( SystemCoreClock / RT_TICK_PER_SECOND );      (2)

void SysTick_Handler(void)                                   (3)
{
    /* 进入中断 */
    rt_interrupt_enter();                                    (3)-1
    /* 时基更新 */
    rt_tick_increase();                                      (3)-2
    /* 离开中断 */
    rt_interrupt_leave();                                    (3)-3
}

代码清单9-8(1)：关中断。在程序开始的时候把中断关闭是一个好习惯，等系统初始化完毕， 线程创建完毕，启动系统调度的时候会重新打开中断。如果一开始不关闭中断的话，接下来SysTick初始化完成， 然后再初始化系统和创建线程，如果系统初始化和线程创建的时间大于SysTick的中断周期的话， 那么就会出现系统或者线程都还没有准备好的情况下就先执行了SysTick中断服务函数，进行了系统调度，显然，这是不科学的。

代码清单9-8(2)：初始化SysTick，调用固件库函数SysTick_Config来实现，配置中断周期为10ms， 中断优先级为最低（无论中断优先级分组怎么分都是最低，因为这里把表示SysTick中断优先级的四个位全部配置为1， 即15，在Cortex-M内核中，优先级数值越大，逻辑优先级越低），RT_TICK_PER_SECOND是一个在rtconfig.h中定义的宏，目前等于100。

代码清单9-9 SysTick初始化函数（在core_cm3.h中定义）
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__STATIC_INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
    /* 非法的重装载寄存器值 */
    if ((ticks - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)
    {
        return (1UL);
    }
    /* 设置重装载寄存器的值 */
    SysTick->LOAD = (uint32_t)(ticks - 1UL);
    /* 设置SysTick的中断优先级 */
    NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL);
    /* 加载SysTick计数器值 */
    SysTick->VAL = 0UL;
    /* 设置系统定时器的时钟源为AHBCLK
    使能SysTick 定时器中断
    使能SysTick 定时器 */
    SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                    SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
                    SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    return (0UL);
}

代码清单9-8(3)-2：更新系统时基，该函数在clock.c（clock.c第一次使用需要自行在文件夹 rtthread3.0.3src中新建并添加到工程的rtt/source组）中实现，具体见 代码清单9-10。

9.3.1. 系统时基更新函数

代码清单9-10 时基更新函数
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#include <rtthread.h>
#include <rthw.h>

static rt_tick_t rt_tick = 0; /* 系统时基计数器 */                   (1)
extern rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];


void rt_tick_increase(void)
{
    rt_ubase_t i;
    struct rt_thread *thread;
    rt_tick ++;                                                     (2)

    /* 扫描就绪列表中所有线程的remaining_tick，如果不为0，则减1 */
    for(i=0; i<RT_THREAD_PRIORITY_MAX; i++)                         (3)
    {
        thread = rt_list_entry( rt_thread_priority_table[i].next,
                                struct rt_thread,
                                tlist);
        if(thread->remaining_tick > 0)
        {
            thread->remaining_tick --;
        }
    }

    /* 系统调度 */
    rt_schedule();                                                  (4)
}

代码清单9-10 (1)：系统时基计数器，是一个全局变量，用来记录产生了多少次SysTick中断。

代码清单9-10 (2)：系统时基计数器加一操作。

代码清单9-10 (3)：扫描就绪列表中所有线程的remaining_tick，如果不为0，则减1。

代码清单9-10 (4)：进行系统调度。

代码清单9-8(3)-1和3：进入中断和离开中断，这两个函数在irq.c（irq.c第一次使用需要自行在文件夹 rtthread3.0.3src中新建并添加到工程的rtt/source组）中实现，具体见 代码清单9-11。

代码清单9-11 进入中断和离开中断函数
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#include <rtthread.h>
#include <rthw.h>

/* 中断计数器 */
volatile rt_uint8_t rt_interrupt_nest;              (1)

/**
* 当BSP文件的中断服务函数进入时会调用该函数
*
* @note 请不要在应用程序中调用该函数
*
* @see rt_interrupt_leave
*/
void rt_interrupt_enter(void)                      (2)
{
    rt_base_t level;

    /* 关中断 */
    level = rt_hw_interrupt_disable();

    /* 中断计数器++ */
    rt_interrupt_nest ++;

    /* 开中断 */
    rt_hw_interrupt_enable(level);
}


/**
* 当BSP文件的中断服务函数离开时会调用该函数
*
* @note 请不要在应用程序中调用该函数
*
* @see rt_interrupt_enter
*/
void rt_interrupt_leave(void)                    (3)
{
    rt_base_t level;

    /* 关中断 */
    level = rt_hw_interrupt_disable();

    /* 中断计数器-- */
    rt_interrupt_nest --;

    /* 开中断 */
    rt_hw_interrupt_enable(level);
}

代码清单9-11(1)：中断计数器，是一个全局变量，用了记录中断嵌套次数。

代码清单9-11(2)：进入中断函数，中断计数器rt_interrupt_nest加一操作。 当BSP文件的中断服务函数进入时会调用该函数，应用程序不能调用，切记。

代码清单9-11(3)：离开中断函数，中断计数器rt_interrupt_nest减一操作。 当BSP文件的中断服务函数离开时会调用该函数，应用程序不能调用，切记。

9.4. main函数

main函数和线程代码变动不大，具体见 代码清单9-11，有变动部分代码已高亮。

代码清单9-12 main函数
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/*
*************************************************************************
*                             包含的头文件
*************************************************************************
*/
#include <rtthread.h>
#include <rthw.h>                                            (1)
#include "ARMCM4.h"
/*
*************************************************************************
*                              全局变量
*************************************************************************
*/
rt_uint8_t flag1;
rt_uint8_t flag2;
extern rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];
/*
*************************************************************************
*                      线程控制块 & STACK & 线程声明
*************************************************************************
*/
/* 定义线程控制块 */
struct rt_thread rt_flag1_thread;
struct rt_thread rt_flag2_thread;

ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
/* 定义线程栈 */
rt_uint8_t rt_flag1_thread_stack[512];
rt_uint8_t rt_flag2_thread_stack[512];

/* 线程声明 */
void flag1_thread_entry(void *p_arg);
void flag2_thread_entry(void *p_arg);
/*
*************************************************************************
*                               函数声明
*************************************************************************
*/
void delay(uint32_t count);

/************************************************************************
* @brief  main函数
* @param  无
* @retval 无
*
* @attention
***********************************************************************
*/
int main(void)
{
    /* 硬件初始化 */
    /* 将硬件相关的初始化放在这里，如果是软件仿真则没有相关初始化代码 */

    /* 关中断 */
    rt_hw_interrupt_disable();                               (2)

    /* SysTick中断频率设置 */
    SysTick_Config( SystemCoreClock / RT_TICK_PER_SECOND );  (3)

    /* 调度器初始化 */
    rt_system_scheduler_init();

    /* 初始化空闲线程 */
    rt_thread_idle_init();                                   (4)

    /* 初始化线程 */
    rt_thread_init( &rt_flag1_thread,                 /* 线程控制块 */
                    "rt_flag1_thread",                /* 线程名字，字符串形式 */
                    flag1_thread_entry,               /* 线程入口地址 */
                    RT_NULL,                          /* 线程形参 */
                    &rt_flag1_thread_stack[0],        /* 线程栈起始地址 */
                    sizeof(rt_flag1_thread_stack) );  /* 线程栈大小，单位为字节 */
    /* 将线程插入到就绪列表 */
    rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[0]),&(rt_flag1_thread.tlist) );

    /* 初始化线程 */
    rt_thread_init( &rt_flag2_thread,                 /* 线程控制块 */
                    "rt_flag2_thread",                /* 线程名字，字符串形式 */
                    flag2_thread_entry,               /* 线程入口地址 */
                    RT_NULL,                          /* 线程形参 */
                    &rt_flag2_thread_stack[0],        /* 线程栈起始地址 */
                    sizeof(rt_flag2_thread_stack) );  /* 线程栈大小，单位为字节 */
    /* 将线程插入到就绪列表 */
    rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[1]),&(rt_flag2_thread.tlist) );

    /* 启动系统调度器 */
    rt_system_scheduler_start();
}

/*
*************************************************************************
*                               函数实现
*************************************************************************
*/
/* 软件延时 */
void delay (uint32_t count)
{
    for(; count!=0; count--);
}

/* 线程1 */
void flag1_thread_entry( void *p_arg )
{
    for( ;; )
    {
#if 0
        flag1 = 1;
        delay( 100 );
        flag1 = 0;
        delay( 100 );

        /* 线程切换，这里是手动切换 */
        rt_schedule();
#else
        flag1 = 1;
        rt_thread_delay(2);                                     (5)
        flag1 = 0;
        rt_thread_delay(2);
#endif
    }
}

/* 线程2 */
void flag2_thread_entry( void *p_arg )
{
    for( ;; )
    {
#if 0
        flag2 = 1;
        delay( 100 );
        flag2 = 0;
        delay( 100 );

        /* 线程切换，这里是手动切换 */
        rt_schedule();
#else
        flag2 = 1;
        rt_thread_delay(2);                                     (6)
        flag2 = 0;
        rt_thread_delay(2);
#endif
    }
}


void SysTick_Handler(void)                                      (7)
{
    /* 进入中断 */
    rt_interrupt_enter();

    rt_tick_increase();

    /* 离开中断 */
    rt_interrupt_leave();
}

代码清单9-11(1)：新包含的两个头文件。

代码清单9-11(2)：关中断。

代码清单9-11(3)：初始化SysTick。

代码清单9-11(4)：创建空闲线程。

代码清单9-11(5)和(6)：延时函数均由原来的软件延时替代为阻塞延时， 延时时间均为2个SysTick中断周期，即20ms。

代码清单9-11(7)：SysTick中断服务函数。

9.5. 实验现象

进入软件调试，全速运行程序，从逻辑分析仪中可以看到两个线程的波形是完全同步， 就好像CPU在同时干两件事情，具体仿真的波形图见 图9-1 和 图9-2 。

图9-1 实验现象1 图9-1 实验现象2

从 图9-1 和 图9-2 可以看出，flag1和flag2的高电平的时间为(0.1802-0.1602)s，刚好等于阻塞延时的20ms， 所以实验现象跟代码要实现的功能是一致的。