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全面解析腾讯最新开源 loT 操作系统 TencentOS tiny

近期腾讯低调地在GitHub上开源了自己的loT操作TencentOS tiny,截至发稿,已经累积了2000多个Star,引发了不小的关注。由于笔者曾经做过CSDN的嵌入式大版当过很长时间的版主,所以第一时间到https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny下载了全部的代码,第一时间为大家带来解读。

TencentOS tiny整体架构

TencentOS tiny 提供精简的 RTOS内核,其架构图如下:      

微信图片_20190926130232.png

目前看其内核部分已经开发完成,并已经完全开源。从目前TencentOS tiny 的情况看,腾讯入局物联网的相关链条已经规划完整:        

微信图片_20190926130235.jpg

布署了TencentOS tiny 的的嵌入式开发板也已经制造出来,所以看来鹅厂在物联网时代对于入口的争夺也不会有丝毫的放松。       

微信图片_20190926130237.jpg

下面我将对于TencentOS tiny 代码中内核及loT协议部分进行相关解读。

TencentOS tiny 内核信号量与互斥锁解读

TencentOS tiny 的官宣文档中对于其内核的描述如下:TencentOS tiny 实时内核包括任务管理、实时调度、时间管理、中断管理、内存管理、异常处理、软件定时器、链表、消息队列、信号量、互斥锁、事件标志等模块。其中定时器、消息队列等在之前都有过相应介绍,这里就为大家来解读一下信号量与互斥锁的相关代码。信号量与互斥锁的异同:1.信号量与互斥锁最根本的不同点在于:互斥锁的取值只能是0或者1,而信号量的取值范围则可以定义。2.信号量的作用域可以进程也可以是线程,而互斥锁只能是线程。简单来说互斥锁可以实现线程对于唯一资源的使用保护,而信号量则可以实现多线程或者进程间数量有限资源的使用保护。从某种意义上讲互斥锁是只能一个资源可用的信号量。关于TencentOS tiny 互斥体的实现,首先来看其数据结构具体解读如下:

typedef struct k_mutex_st {

   pend_obj_t      pend_obj;//pendding obj的列表

   k_nesting_t     pend_nesting;//个数

   k_task_t       *owner;//现在所的拥有者

   k_prio_t        owner_orig_prio; //现在所的拥有者

   k_list_t        owner_list;

k_mutex_t;

如果大家对于LINUX的内核也有足够了解,那么通过以上数据结构也能看到,TencentOS tiny 没有考虑自旋锁,其实也就是针对loT的场景进行了优化,裁减了多CPU的场景支持。

内核主要代码在此位置:https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny/tree/master/kernel/core/tos_mutex.c

下面我们主要对于其pend操作函数进行解读如下:

__API__ k_err_t tos_mutex_pend_timed(k_mutex_t *mutex, k_tick_t timeout)

{

   TOS_CPU_CPSR_ALLOC();

   k_err_t err;



   TOS_PTR_SANITY_CHECK(mutex);

   TOS_IN_IRQ_CHECK();



#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u

   if (!pend_object_verify(&mutex->pend_obj, PEND_TYPE_MUTEX)) {

       return K_ERR_OBJ_INVALID;

   }

#endif

   TOS_CPU_INT_DISABLE();//将CPU锁住,防止其它进程进入

   if (mutex->pend_nesting == (k_nesting_t)0u) { //没有等待

       mutex_fresh_owner_mark(mutex, k_curr_task);//将此mutex的owner置 为当前task

       TOS_CPU_INT_ENABLE();//将CPU解锁

       return K_ERR_NONE;//返回成功

   }

   if (knl_is_self(mutex->owner)) {

       if (mutex->pend_nesting == (k_nesting_t)-1) {//等待数量如果超限则返回overflow

           TOS_CPU_INT_ENABLE();

           return K_ERR_MUTEX_NESTING_OVERFLOW;

       }

       ++mutex->pend_nesting;

       TOS_CPU_INT_ENABLE();

       return K_ERR_MUTEX_NESTING;

   }

   if (timeout == TOS_TIME_NOWAIT) { //如果锁已经被占用超时时间为不等待,则直接返回

       TOS_CPU_INT_ENABLE();

       return K_ERR_PEND_NOWAIT;

   }

   if (knl_is_sched_locked()) {//如果任务被锁定,则直接返回

       TOS_CPU_INT_ENABLE();

       return K_ERR_PEND_SCHED_LOCKED;

   }



   if (mutex->owner->prio > k_curr_task->prio) {



       tos_task_prio_change(mutex->owner, k_curr_task->prio);//如果owner的优先级更低,也就是其数值更大,则调整优先级

   }



   pend_task_block(k_curr_task, &mutex->pend_obj, timeout);//阻塞pending的任务



   TOS_CPU_INT_ENABLE();//解锁CPU总线

   knl_sched();//解锁任务高度



   err = pend_state2errno(k_curr_task->pend_state);



   if (err == K_ERR_NONE) {//如果没有错误

       TOS_CPU_INT_DISABLE();

       mutex_new_owner_mark(mutex, k_curr_task);//刷新mutex当前的owner

       TOS_CPU_INT_ENABLE();

   }



   return err;

}


TencentOS tiny 信号量的实现

首先来看k_sem_st的结构体:

typedef struct k_sem_st {

   pend_obj_t      pend_obj;//pending的列表

   k_sem_cnt_t     count;//关键资源的数量

k_sem_t;

其信号量实现的相关代码,在以下位置:https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny/tree/master/kernel/core/tos_sem.c下面我们对于post函数进行解读:

__STATIC__ k_err_t sem_do_post(k_sem_t *sem, opt_post_t opt)

{


   TOS_CPU_CPSR_ALLOC();//为CPU的CPSR进行预分配为后面恢复做准备



   TOS_PTR_SANITY_CHECK(sem);



#if TOS_CFG_OBJECT_VERIFY_EN > 0u

   if (!pend_object_verify(&sem->pend_obj, PEND_TYPE_SEM)) {

       return K_ERR_OBJ_INVALID;

   }

#endif



   TOS_CPU_INT_DISABLE();//CPU锁定防止其它进程入

   if (sem->count == (k_sem_cnt_t)-1) {//若资源数量为-1则返回超限

       TOS_CPU_INT_ENABLE();

       return K_ERR_SEM_OVERFLOW;

   }



   if (pend_is_nopending(&sem->pend_obj)) {//如果无pending的情况则直接返回

       ++sem->count;

       TOS_CPU_INT_ENABLE();

       return K_ERR_NONE;

   }



   pend_wakeup(&sem->pend_obj, PEND_STATE_POST, opt);//唤醒pending的进程



   TOS_CPU_INT_ENABLE();//恢复CPU

   knl_sched();//恢复任务调度



   return K_ERR_NONE;

}

所以从上述解读相信各位读者也能看到,TencentOS tiny的内核的确是被精心修减过,针对物联网场景做了相应的优化,去掉了一些没有必要的功能代码。

TencentOS tiny对于MQTT的实现

在TencentOS tiny的官宣中对于IoT 协议栈介绍如下:TencentOS tiny 提供 lwip、AT Adapter、SAL 层,支持不同的网络硬件,例如以太网、串口 Wi-Fi、GPRS、NB-IoT、4G等通信模块。TCP/IP 网络协议栈上提供常用的物联网协议栈,例如 CoAP、MQTT,支撑终端业务快速接入腾讯云。其中MQTT可以算是物联网时代比较通用的基于IP网络的协议了,它基于发布/订阅消息模式,提供一对多的消息分发有三种消息传递服务质量。1.最多一次,也就是消息发布者只会发布一次消息,不管对端是否收到也不会发布第二次。一般用于环境传感器的数据读取,因为一般环境传感器读取的密度很高,丢失几个数据并没有什么大问题。·2.确保到达,这个一般用在数据非常重要的情况,发送端将不断重复发送直到对端响应收到。但这样可能出现数据重复。3.确保恰好一次送达,确保消息正好到达一次。这个级别用于计费系统,重复或丢失的数据可能导致一定的损失。由于MQTT适合在低带宽、高延时网络运行的特性所以在特联网中的应用很多。不过呢腾讯针对此部分的实现则是完全拷贝于Eclipse Paho项目个人制作的原理动画如下图:       

微信图片_20190926130435.gif

但是考虑到物联网终端其实仅需要MQTT的发布方即可,订阅方的代码其实没有太大必要保留,而且从目前发布支持的场景来看,MQTT一些通讯质量模式其实用处也不多,不过在这方面TencentOS tiny是没有做任何优化与裁减的。所以这应该也可以看做是TencentOS tiny的一个不足吧。

后记

随着移动互联网+智能硬件的不断发展,IoT的新业态大门徐徐开启,这里不但有众多互联网企业,也有传统家电甚至金融企业不断入局。但是与传统互联网软件+硬件的模式不同,物联网除了软、硬件外还多了一个侧面-场景,能将软、硬件及场景整合化一的公司才能笑到最后。就像HTML整合了互联网一样,MQTT等loT协议会是整合全链条的利器,所以最后笔者也呼吁各方除了重视操作系统内核外也需要大力参与loT通讯协议,尤其注重标准制订,这样才能跟上loT的时代潮流。

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