一個開源的RTOS的Chibios的評測

1.Chibios介紹

1.1 chibios是什么？

1.2 chibios的特點

2.chibios的工程組織

2.1 ChibiOS/RT

2.2 ChibiOS/NIL

2.3 ChibiOS/LIB

2.4 ChibiOS/SB

2.5 ChibiOS/HAL

2.6 ChibiStudio

3.RTOS設計思想淺析

3.1 中斷處理

3.2 系統狀態

3.3 調度機制

3.4 線程工作空間

4.在樹莓派上真實體驗效果

5.總結

1.Chibios介紹

1.1 chibios是什么？

chibios的作者是Giovanni Di Sirio。chibi這個名稱在日語是小孩的意思，所以ChibiOS (ちびOS)也被可以理解成小型的操作系統。官網鏈接如下：

http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php

ChibiOS / RT于2007年9月份在SourceForge公開發布。由于作者對當時現有的RTOS的不滿，所以寫了這個系統，作者心目中的RTOS應該是：

優雅

快速

小

靜態的

這些也是chibios的核心思想與系統的特點。所以專注于代碼的優美性和一致性，以及內存的靜態使用、確定性、強大的抽象功能，都是這個系統關鍵的特性。

1.2 chibios的特點

隨著芯片性能和功能的不斷完善，資源的管理也變得十分復雜。就目前來說，已經出現了很多的嵌入式操作系統來進行這些資源的管理和使用。現在來分析一個GPL3協議的開源RTOS，chibios的使用。ChibiOS/RT是為了8、16和32位微控制器而設計的。該RTOS其內存的占用和運行效率是項目至始至終優化的方向。

在STM32（Cortex-M3，72MHz）上，一個典型的ChibiOS/RT實例會占用1.2kB到5.5kB的空間。內核每秒可以創建和終止220000多個線程，而且能在1.2微秒內完成一次線程切換。隨著每一個架構移植的發布，ChibiOS的性能測試數據都會被照例公布。

ChibiOS/RT的小型內核支持：

搶占性多任務

128個優先級

同優先級線程按照時間片輪轉調度

軟件定時器

計數信號量

支持優先級繼承的自旋鎖

同步和異步信息，以及消息隊列

事件標志和處理函數

支持的同步I/O和帶超時的異步I/O

線程安全的堆或內存池分配器

支持多種底層硬件的硬件抽象層

支持lwIP和uIP協議棧

支持FatFS文件系統

所有的系統對象，比如線程、信號量等都能在運行時創建或者刪除。除了可用內存的限制之外沒有內核對象創建數量上限。為了增強可靠性，整個內核本身是靜態編譯的，并且不需要一個動態內存分配器；內核中也沒有表或者數組的上限。整個系統的API設計中不包含諸如錯誤碼或者異常一類的錯誤狀況。

2.chibios的工程組織

一個chibios的工程主要包含以下幾個獨立的工程，分別為RT、NIL、OSLIB、SB、HAL、EX、ChibiStudio。下面我們來單獨敘述每個部分的功能和作用。

2.1 ChibiOS/RT

該設計是為功能完備的RTOS設計的，出發點在于性能完善和代碼量大小合適。

主要的特點：

高性能

靜態的體系結構

強大的調試功能

代碼庫清理

與CMSIS RTOS的兼容性比較好

2.2 ChibiOS/NIL

NIL的設計思想是適合資源非常小的設備。

主要的特點：

系統很小，最小配置可以在低于1KB的ram上運行。

小的內存管理，小的線程，信號量管理

全靜態的架構

2.3 ChibiOS/LIB

作為一個額外的庫，可以被ChibiOS/RT與ChibiOS/NIL共同使用，是操作系統的擴展功能。主要的功能如下：

1.二值信號量

2.郵箱

3.fifo

4.動態線程

5.內存堆管理

6.內存池管理

2.4 ChibiOS/SB

該擴展主要是針對 Cortex-M3, M4 and M7內核。其主要的作用是可以讓應用獨立的運行在一個沙盒里。

這種沙盒應用是支持兩種，一種是靜態的內存，一種是動態的內存。

2.5 ChibiOS/HAL

系統的硬件抽象層，該抽象層可以讓系統和驅動進行很好的對接，應用程序使用起來更加容易。主要特定：

將硬件抽象出來，應用程序可以不用管驅動的具體實現

支持大多數的MCU外設

能夠支持RT和NIL

方便移植

2.6 ChibiStudio

一個基于ARM的開發環境的IDE，支持編譯、下載和運行。

3.RTOS設計思想淺析

要想弄清楚這個系統的功能，就必須理解RTOS的核心。下面從中斷處理、系統狀態、調度，工作空間四個方面來理解Chibios。

3.1 中斷處理

在Chibios中，有三種類型的中斷。

Regular Interrupts:也就是定期中斷，這種中斷模式下，可屏蔽的中斷源不能被搶占，但是需要按照特定的規則來編寫這種中斷的處理函數。

Fast Interrupts:可以快速相應的中斷，可搶占資源。

Non Maskable Interrupts:系統中正常的中斷處理。

在RTOS中，比較關鍵的地方就是確定性與穩定性。確定性一般就是表示處理中斷的時間盡可能短而且時間可預測，一定程度上，中斷響應時間也是評判一個RTOS的性能的重要指標。

3.2 系統狀態

系統RTOS在使用時，每個線程都會處于各種狀態。用下面的一張圖例來進行表示：

Init:系統初始化階段，這個階段中，所有可屏蔽的中斷都無法響應。當系統處于該狀態時，除了chSysInit()可以被調用，其他的API都無法被使用。

Normal:正常狀態，當前狀態下所有的系統中斷可以響應，并且線程正常的運行。

Suspended:系統掛起狀態，這種狀態下，只有FIQ可以響應，普通的中斷不能響應，并且不能使用chSysDisable（）或chSysEnable（）之外的任何系統API來更改狀態。

Disabled:系統處于該狀態時，所有的中斷都不能被響應，無法使用chSysSuspend（）或chSysEnable（）之外的任何系統API來更改狀態。

Sleep:與體系架構相關的低功耗模式，空閑線程進入該模式后，等待事件重新喚醒變成Normal狀態。

S-Locked:內核已鎖定，常規中斷源已禁用。快速中斷源使能。在這種狀態下可以調用S類和I類API。

I-Locked:內核被鎖定，常規中斷源被禁用。I-Class API可從此狀態調用。

SRI:全稱為Serving Regular Interrupt，不能訪問任何系統API，但是可以使用chSysLockFromIsr（）切換到I-Locked狀態，然后調用任何I-Class API。中斷處理程序在某些體系結構上可以搶占，因此在調用系統API之前切換到I鎖定狀態非常重要。

3.3 調度機制

在理解調度機制之前，先看看線程的狀態。

基本上在大部分的RTOS的設計上，線程的狀態都是這些。在執行調度策略的時候，也是非常簡單，就是將高優先級的線程掛載在調度器的雙向鏈表上，按照優先級的高低進行，數字越小，優先級越低。

如果有同等優先級，則按照時間片輪循的方式進行。

3.4 線程工作空間

和其他RTOS類似，線程都會有字節的棧空間。

系統進行搶占時，會進行當前線程的壓棧和需要執行的線程的出棧操作。

4.在樹莓派上真實體驗效果

說再多也不如真機上進行測試得到的感悟更加的深刻。現在為了體驗效果，可以在樹莓派2/樹莓派3上進行測試。目前為了方便調試，先采用qemu進行模擬仿真。在qemu上運行的程序再移植到真實的樹莓派硬件上，基本上問題不大。

本次的實驗環境為Ubuntu18.04，需要安裝配置好arm-none-eabi-gcc，以及安裝好qemu。也可以在Windows環境中進行測試。

首先需要準備代碼，當前的代碼倉庫在

https://gitee.com/bigmagic/ChibiOS-RPi

將代碼clone出來后，進入ChibiOS-RPi/demos/ARM11-BCM2835-GCC目錄，輸入make開始編譯代碼。

編譯完成后，可以看到在ChibiOS-RPi/demos/ARM11-BCM2835-GCCuild目錄生成了ch.elf文件以及ch.bin文件。如果要在真機上運行，可以將ch.bin修改成kernel.img，然后下載

https://gitee.com/bigmagic/raspi_sd_fw/tree/master/raspi3/raspi3-32/sd_boot_rtt

中的文件，將kernel7.img刪除，并且將kernel.img放入。將這些文件放到SD卡中即可。通過串口可以看到輸出信息。

在qemu上運行的時候，只需要輸入

qemu-system-arm-Mraspi2-m1024M-smp4-serialnull-serialstdio-kernelch.elf

這樣就可以在屏幕上看到Chibios的控制臺了。

當出現控制臺界面時，輸入info可以看到當前硬件信息。

5.總結

本文簡單的介紹了一下Chibios的基本情況和在樹莓派上運行該系統。從RTOS的角度上來說，該rtos的設計思想值得學習。其實看一個RTOS的優劣好壞，不僅僅在于使用的是否上手容易，而在于系統的設計是否友好，是否穩定，也需要有足夠的性能。做嵌入式底層開發和做RTOS開發，不應該只是局限于使用一個RTOS，也不應該只關注上層的業務邏輯。一個好的應用，必須是有足夠的深度和高度，不斷的優化設計。當前，有許多的RTOS可以被使用，有很多系統都有自己值得學習和研究的地方。因為嵌入式RTOS的靈活性很大，不同的業務場景也需要不同的需求，或者每個系統都會有其行業的特殊性，但是萬變不離其宗，了解各個系統的特性，是很值得去學習的。

Chibios的一些具體的細節我還沒有研究的很深刻，我覺得sandbox是一項很有意思的功能，將系統的應用程序獨立的在空間中運行，這就很值得去看。另外這個系統的主要還是應用在小的單片機上，我現在還沒有實際的數據去展示，等一段時間后，可以看看這個系統的評測結果。

責任編輯：YYX