ChibiOS/RT 系统管理与调度器

调度器配置#

ChibiOS/RT 的调度器行为通过 chcfg.h 中的宏配置。这些配置在编译时确定，直接影响系统性能和资源占用。

优先级数量#

1
#define CH_CFG_NUM_PRIORITIES           32

默认值通常为 32，可按需调整
增加优先级数量会增加内核 RAM 占用
每增加 8 个优先级，约增加 256 字节 RAM

轮询时间片#

1
#define CH_CFG_TIME_QUANTUM            20

同优先级线程的时间片长度（单位：tick）
设为 0 表示禁用时间片轮转，仅使用时间片让出
建议值：10-100 tick

线程额外栈空间#

1
#define CH_CFG_THREAD_EXTRA_STACK      128

为每个线程额外分配的栈空间（字节）
用于存放线程局部存储、调试信息等

内核堆大小#

1
#define CH_CFG_HEAP_SIZE               (1024 * 2)

动态内存分配使用的堆大小
chThdCreateFromHeap 从该堆分配内存

其他关键配置#

1
/* 虚拟定时器数量 */
2
#define CH_CFG_VIRTUAL_TIMERS          16
3

4
/* 消息队列大小 */
5
#define CH_CFG_MSG_CACHE_SIZE          2
6

7
/* 空闲钩子（用于低功耗） */
8
#define CH_CFG_IDLE_ENTER_HOOK()       idle_enter_hook()
9
#define CH_CFG_IDLE_LEAVE_HOOK()       idle_leave_hook()

系统管理接口#

系统锁与解锁#

系统锁用于保护临界区，防止调度器抢占：

1
void critical_section(void) {
2
    chSysLock();         /* 锁定调度器，关闭中断 */
3

4
    /* 临界区代码 */
5
    volatile uint32_t count = 0;
6
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
7
        count++;
8
    }
9

10
    chSysUnlock();       /* 解锁调度器，恢复中断 */
11
}

chSysLock/chSysUnlock 的作用：

操作	效果
`chSysLock()`	禁用可屏蔽中断，阻止调度
`chSysUnlock()`	恢复可屏蔽中断，允许调度
`chSysLockFromISR()`	在 ISR 中锁定系统
`chSysUnlockFromISR()`	在 ISR 中解锁系统

CPU 使用率测量#

1
/* 启用 CPU 使用率测量（需配置 CH_CFG.GetCurrentMethodHook） */
2
void sysinit(void) {
3
    /* 通常在空闲线程中调用 */
4
}
5

6
/* 获取 CPU 使用率（百分比，0-100） */
7
void idle_hook(void) {
8
    uint32_t usage = chSysGetCPUUsage();
9
    /* usage 为 0-100 的整数百分比 */
10
    if (usage > 80) {
11
        /* CPU 负载过高警告 */
12
    }
13
}

空闲钩子#

空闲钩子在空闲线程中周期性调用，可用于低功耗管理：

1
#define CH_CFG_IDLE_ENTER_HOOK()       do { \
2
    __WFI();  /* 进入低功耗等待 */ \
3
} while(0)
4

5
#define CH_CFG_IDLE_LEAVE_HOOK()       do { \
6
    /* 从低功耗唤醒 */ \
7
} while(0)

功耗管理#

结合空闲钩子实现动态功耗管理：

1
static void idle_enter_hook(void) {
2
    /* 关闭外设时钟 */
3
    RCC->AHB1ENR &= ~RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
4

5
    /* 进入 Sleep 模式 */
6
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
7
    __WFI();
8
}
9

10
static void idle_leave_hook(void) {
11
    /* 恢复外设时钟 */
12
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
13

14
    SCB->SCR &= ~SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
15
}

运行时专家模式#

ChibiOS/RT 提供多种运行时诊断工具，帮助开发者调试和优化系统。

调试寄存器#

启用内核调试器可检测运行时错误：

1
#define CH_CFG_USE_KERNEL_DEBUG        TRUE

检测的错误包括：

从非线程上下文调用线程 API
在 ISR 中调用非 ISR 安全的 API
无效的线程状态转换

栈溢出检查#

1
#define CH_CFG_USE_STACKCHECK          TRUE

启用后，每次上下文切换时检查线程栈是否溢出工作区边界。栈溢出是嵌入式系统中最常见的 bug 之一，建议开发阶段始终启用。

栈使用测量#

1
/* 获取线程栈使用量（已用字节） */
2
thread_t *tp = chThdGetSelfX();
3
size_t used = chThdGetStackUsed(tp);
4

5
/* 获取线程栈空间总量 */
6
size_t total = chThdGetStackSize(tp);
7

8
/* 计算使用百分比 */
9
uint32_t percent = (used * 100) / total;

也可以统计所有线程的栈使用情况：

1
void check_all_stacks(void) {
2
    thread_descriptor_t *tdp;
3

4
    /* 遍历所有已注册线程 */
5
    for (tdp = chRegFirstThread();
6
         tdp != NULL;
7
         tdp = chRegNextThread(tdp)) {
8
        size_t used = chThdGetStackUsed(tdp->get_stackp());
9
        printf("Thread: %s, Stack used: %u bytes\n",
10
               tdp->get_name(), used);
11
    }
12
}

性能测量钩子#

1
#define CH_CFG_USE_performance_hook     TRUE
2

3
/* 上下文切换钩子 */
4
void ctxsw_hook(thread_t *ntp, thread_t *otp) {
5
    /* ntp: 即将运行的线程 */
6
    /* otp: 刚被换出的线程 */
7
    /* 可用于记录切换频率、统计等 */
8
}

SMP 系统管理#

多核配置#

1
#define CH_CFG_SMP_NESTED_ENABLE       FALSE
2
#define CH_CFG_SMP_NUM_THREADS         4
3
#define CH_CFG_SMP_REQUIRED_CORES      2

CH_CFG_SMP_NUM_THREADS：SMP 系统中线程总数上限
CH_CFG_SMP_REQUIRED_CORES：必须在线的核心数

OS 实例#

每个核心需要独立的 OS 实例，包含自己的调度器和内核数据结构：

1
#include "ch.h"
2

3
/* 为每个核心定义 OS 实例 */
4
static OS_INSTANCE(os_core0);
5
static OS_INSTANCE(os_core1);
6

7
/* 核心 0 的主函数 */
8
void core0_main(void) {
9
    os_instance_init(&os_core0);
10
    os_instance_set_active(true);
11

12
    /* 创建核心 0 的线程 */
13
    chThdCreateStatic(waThread0,
14
        sizeof(waThread0),
15
        NORMALPRIO,
16
        thread0_func,
17
        NULL);
18

19
    chThdExit();
20
}
21

22
/* 核心 1 的主函数 */
23
void core1_main(void) {
24
    os_instance_init(&os_core1);
25
    os_instance_set_active(true);
26

27
    chThdCreateStatic(waThread1,
28
        sizeof(waThread1),
29
        NORMALPRIO,
30
        thread1_func,
31
        NULL);
32

33
    chThdExit();
34
}

核心 ID#

1
/* 获取当前核心 ID */
2
syscoreid_t core_id = os_instance_get_core_id();
3

4
/* 根据核心 ID 执行不同逻辑 */
5
void per_core_init(void) {
6
    syscoreid_t id = os_instance_get_core_id();
7
    if (id == 0) {
8
        /* 主核心初始化 */
9
    } else {
10
        /* 从核心初始化 */
11
    }
12
}

Tick 处理#

频率配置#

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#define CH_CFG_ST_RESOLUTION            16
2
#define CH_CFG_ST_FREQUENCY            1000  /* 1 kHz tick */

CH_CFG_ST_FREQUENCY：系统 tick 频率（Hz）
典型值：1000（1ms 分辨率）或 10000（100μs 分辨率）

虚拟定时器处理#

虚拟定时器基于系统 tick 实现，用于超时管理：

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/* 定义虚拟定时器 */
2
static virtual_timer_t vt1;
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/* 定时器回调函数 */
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static void vt1_callback(void *arg) {
6
    /* 超时处理 */
7
    LED_Toggle();
8
}
9

10
/* 启动定时器：500ms 后触发 */
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void start_timer(void) {
12
    chVTSet(&vt1, MS2ST(500), vt1_callback, NULL);
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}
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/* 取消定时器 */
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void stop_timer(void) {
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    chVTReset(&vt1);
18
}

延迟超前处理#

ChibiOS/RT 支持延迟超前处理（Deferred Timeout Processing），在 tick ISR 中不直接处理超时，而是标记后延迟到线程上下文处理：

1
#define CH_CFG_USE_TM                 TRUE  /* 启用时间管理 */

这种机制减少了中断延迟，适用于超时处理较复杂或需要调用线程安全 API 的场景。

总结#

ChibiOS/RT 的调度器和系统管理机制提供了丰富的配置选项和诊断工具。合理配置优先级数量、时间片、堆大小等参数，结合 CPU 使用率测量和栈检查，可以构建出高效、可靠的嵌入式实时系统。SMP 支持和虚拟定时器则为更复杂的应用场景提供了扩展能力。

JJZBQA