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分享RTOS微内核设计之二: 系统接口定义
增一分则肥,减一分则瘦
------《登徒子賦》
（ 本文参照了ose操作系统的API设计，实际上，该操作系统是非常符合我前面提到的设计原则。准确的说，应该是这样：本人在没有了解OSE的时候，酝酿了前文提出的若干设计准则，在接触了ose后，进一步完善了哪些设计准则。另，本文是从应用程序的角度列举了操作系统API，还有一些比较少用的接口，比如调试接口在这里没有列出）
秉承上文提到的内核架构和设计思想,我们可以试着来定义一套相适应的操作系统应用接口集(API),这里提到的接口的概念,包括数据类型,常量,函数调用等.
为了便于描述,把API设计的原则列举如下:
1)最简原则:所谓"增一分则肥,减一分则瘦",这不仅指接口的数目,也指形参个数
2)封装原则:在接口里不能出现具体内核数据结构类型,均使用通用数据类型.
3)操作系统必须负责分配/销毁内核对象（这个工作不要由应用来做）
4）错误码的返回：若非错误会改变应用程序执行流，不要返回错误码。可以提供错误查询接口和设置错误处理方法
<一>基本数据类型定义
很自然的,我们得从基本数据类型开始.基本数据类型应该都是抽象数据类型,只涉及类型数据宽度和符号属性,不涉及内核实现.
typedef unsigned char UINT8;
typedef signed char SINT8;
typedef unsigned short UINT16;
typedef signed short SINT16;
typedef unsigned long UINT32;
typedef signed long SINT32;
typedef unsigned long long UINT64;
typedef signed long long SINT64;
//additional type
typedef UINT32 BOOL;
typedef UINT32 HANDLE;
typedef UINT32 VOID;
//standard message
typedef struct
{
UINT32 msgId;
}T_MSG;
typedef int (TASK_ENTRY)(VOID*pParam);
enum TASK_TYPE
{
TASK_TYPE_NORMAL;
TASK_TYPE_INTRRUPT;
TASK_TYPE_CYCLE;
};
这里值得说的是消息结构的定义,这也是一个抽象数据类型,不依赖于任何操作系统实现.对应用来说,消息包含两部分:消息ID和消息数据,消息数据的定义属于应用的范畴,这里不加定义.至于消息ID，是为了实现消息接收过滤功能。参见第三小节;
<二>任务操作接口定义
(1)创建任务
HANDLE Create_Task( const SINT*name,
enum TASK_TYPE ttype,
TASK_ENTRY* entry,
VOID*param,
UINT32 stack_size,
UINT32 priority,
UINT32 time_slice)
函数说明：创建一个任务，初始任务处于停止状态，等待启动。
参数说明：
name: 任务名称
ttype: 任务类型，见TASK_TYPE 类型定义
entry: 任务入口
param: 任务入口参数
stack_size: 任务栈大小
priority: 任务优先级
time_slice: 时间片，应用于周期性任务
返回值：
0： 创建任务失败
任务句柄：创建成功的任务句柄
(2)销毁任务
VOID Destroy_Task(HANDLE hTask)
(3)启动任务
VOID Start_Task(HANDLE hTask)
（4）停止任务
VOID Stop_Task(HANDLE hTask)
(5)获得当前任务
HANDLE Current_Task(VOID)
(6)设置任务优先级
UINT32 Set_Priority(HANDLE hTask,UINT32 new_priority)
(7)获得任务优先级
UINT32 Get_Priority(HANDLE hTask)
(8)睡眠任务
VOID Sleep(UINT32 time)
(9) 唤醒任务
VOID Wakeup(HANDLE hTask)
＜三＞消息操作
首先引入一个概念：消息过滤
消息过滤就是在接收消息的时候，指定要接收的消息的约束条件，只有满足这些条件的消息才被返回．
过滤器结构如下： UINT32 filter[]={n,msg1,msg2,...,msgn};
过滤器模式如下： 0：FILTER_MODE_AND
1：FILTER_MODE_OR
其次，这些函数操作消息的时候，通常传入的都是消息指针的指针．这样当某个消息发送后（或者消息释放后），该消息指针将会被置空，防止程序继续访问已经发送的消息．这很重要，举个例子，你给某人寄信，一旦信件寄出，信件就不属于你了，你也没有机会修改信件，也不能取消．
通过这样的设计，可以把当前主流RTOS支持的各种任务间通信机制，合并成一种。
（1）创建消息
VOID* Create_Message(UINT32 size,UINT32 msgId)
(2) 释放消息
VOID Free_Message(T_MSG**ppMsg)
(3) 向任务发送消息
SINT32 Send_Message(T_MSG**ppMsg,HANDLE hTask,SINT32 timeout)
当函数返回时。将会返回错误码，*ppMsg==NULL，从而阻止程序访问已经发送了的消息。
timeout=0，函数不阻塞，立即返回
timeout=-1,函数阻塞，直到消息发送完毕
其他情况，函数阻塞指定的时间。
(4)从当前任务接收消息
T_MSG* Reiceive_Message(UINT32 filter[],UINT32 mode,UINT32 timeout)
返回当前任务收到的满足过滤器条件的消息。
当mode=FILTER_MODE_AND时，只有当过滤器指定的消息全都收到，函数才返回消息链表。
当mode=FILTER_MODE_OR时，收到任何一个过滤器中的消息，函数就返回
当过滤器为空时，收到任何消息灰返回。
timeout的含义与Send_Message中的类似
(5)获得消息所用的内存尺寸大小
UINT32 Get_MessageSize(T_MSG*ppMsg)
(6)获得指定消息的发送方任务
HANDLE Get_MessageSender(T_MSG*pMsg)
（7）获得消息链表中的下一个消息，当收到消息链时有用
T_MSG* Get_MessageNext(T_MSG*ppMsg)
<四> 互斥信号量
这个名字叫得有点怪,我们将要讨论的确实是一个信号量,但是用于临界区保护.传统信号量的通信功能,已经被<第三节消息操作>所替代.
(1)创建信号量
HANDLE Create_Semaphore(const SINT8 *name, UINT32 iniCnt)
如果创建的是临界区，iniCnt通常设置为1
(2)销毁信号量
VOID Destroy_Semaphore(HANDLE hSemaphore)
(3)等待信号量
SINT32 Wait_Semaphore(HANDLE hSemaphore)
将会返回错误码
(4)释放信号量
SINT32 Give_Semaphore(HANDLE hSemaphore)
将会返回错误码
<五> 定时器
这里的定时器，指的是以系统始终为驱动源，定时精度为tick级别（具体tick单位为多少，取决于系统配置），能满足大多数定时精度要求不高的应用需求的“软定时器”。高精度定时通常直接采用SOC上的硬定时器，不在本文讨论范围。以下说的定时器，专指软定时器。
定时器大多是在应用任务中设置，传统的设计采用回调函数的方式来处理定时器超时事件。每个定时器都有不同的回调函数，回调函数不在应用任务上下文中执行，大多数在内核中执行，牵涉到应用共享数据的任务（线程）安全问题。所以很多应用得自己实现一套应用级定时器。
操作系统应该实现这些功能，提供这种定时服务，让工程师专职于应用设计。以下列出了 必要的API借口。
（1）启动定时器
BOOL Set_Timer(UINT32 ms,UINT32 timeType,UINT32 timeId)
参数说明：
ms: 定时器间隔，毫秒为单位
timeType:定时器类型。0表示一次性定时器，1表示周期性定时器
timeId:定时器标识，应用自定义。该值将作为超时消息参事发送给应用。
（2）停止定时器
BOOL Stop_Timer(UINT32 timeId)
(3)获得系统时钟tick数
UINT32 Get_SystemTick(VOID)
（4）设置系统时钟tick数
BOOL Set_SystemTick(UINT32 ticks)
(5)tick与毫秒的转换
UINT32 Micros2Ticks(UINT32 ms)
UINT32 Ticks2Micros(UINT32 ticks)
<六> 中断
中断处理函数类型定义：
typedef VOID (*T_ISR)(UINT32 vec)
（1）关联中断
T_ISR Connect_ISR(UINT32 vec,T_ISR routine)
该函数将中断处理函数和中断向量关联起来,并返回原来的中断函数
(2) 关闭中断
UINT32 Disable_Interrupt(UINT32 level)
level=0xffffffff,表示关闭所有中断
(3)使能中断
VOID Enable_Interrupt(UINT32 level)
level=0xffffffff,表示使能所有中断
<七> 调度器
VOID Scheduler_Lock():禁止调度，但是不禁止中断
VOID Scheduler_UnLock()：解禁调度。
<八>内存管理
（1）创建内存池
HANDLE Create_MemPool(UINT8 *memStart,UINT32 poolSize,UINT32 poolType,UINT32 fixSize)
参数说明：
memStart：内存池开始地址（但是不是用户使用能分配的内存起始地址）
poolSize:内存池大小，一字节为单位
poolType：0，动态尺寸内存池，1表示固定尺寸内存池
fixSize：如果poolType=1，则表示固定块的大小。其他情况，忽略。
（2）销毁内存池
VOID Destroy_MemPool(HANDLE hPool)
(3)分配内存
VOID* MemMalloc(HANDLE hPool,UINT32 size)
如果内存池是固定大小类型，size被忽略
（4）释放内存
VOID MemFree(VOID*pMem)
鉴于内存使用的多样性，工程师可以使用上述接口，封装成满足要求的库接口。
<九>错误处理
（1）设置捕捉错误
VOID Set_Trap(T_ERR_HANDLER errHandler)
(2) 捕捉错误
VOID Trap(UINT32 errNo)
<十>其他接口
系统配置
VOID SysConfig(const VOID* staticConfig)
VOID*GetSysConfig(VOID)
系统环境创建
VOID SetupSystem(const UINT8* mem,UINT32 size)
系统启动
VOID SysStart()
（to be continue.....）
------《登徒子賦》
（ 本文参照了ose操作系统的API设计，实际上，该操作系统是非常符合我前面提到的设计原则。准确的说，应该是这样：本人在没有了解OSE的时候，酝酿了前文提出的若干设计准则，在接触了ose后，进一步完善了哪些设计准则。另，本文是从应用程序的角度列举了操作系统API，还有一些比较少用的接口，比如调试接口在这里没有列出）
秉承上文提到的内核架构和设计思想,我们可以试着来定义一套相适应的操作系统应用接口集(API),这里提到的接口的概念,包括数据类型,常量,函数调用等.
为了便于描述,把API设计的原则列举如下:
1)最简原则:所谓"增一分则肥,减一分则瘦",这不仅指接口的数目,也指形参个数
2)封装原则:在接口里不能出现具体内核数据结构类型,均使用通用数据类型.
3)操作系统必须负责分配/销毁内核对象（这个工作不要由应用来做）
4）错误码的返回：若非错误会改变应用程序执行流，不要返回错误码。可以提供错误查询接口和设置错误处理方法
<一>基本数据类型定义
很自然的,我们得从基本数据类型开始.基本数据类型应该都是抽象数据类型,只涉及类型数据宽度和符号属性,不涉及内核实现.
typedef unsigned char UINT8;
typedef signed char SINT8;
typedef unsigned short UINT16;
typedef signed short SINT16;
typedef unsigned long UINT32;
typedef signed long SINT32;
typedef unsigned long long UINT64;
typedef signed long long SINT64;
//additional type
typedef UINT32 BOOL;
typedef UINT32 HANDLE;
typedef UINT32 VOID;
//standard message
typedef struct
{
UINT32 msgId;
}T_MSG;
typedef int (TASK_ENTRY)(VOID*pParam);
enum TASK_TYPE
{
TASK_TYPE_NORMAL;
TASK_TYPE_INTRRUPT;
TASK_TYPE_CYCLE;
};
这里值得说的是消息结构的定义,这也是一个抽象数据类型,不依赖于任何操作系统实现.对应用来说,消息包含两部分:消息ID和消息数据,消息数据的定义属于应用的范畴,这里不加定义.至于消息ID，是为了实现消息接收过滤功能。参见第三小节;
<二>任务操作接口定义
(1)创建任务
HANDLE Create_Task( const SINT*name,
enum TASK_TYPE ttype,
TASK_ENTRY* entry,
VOID*param,
UINT32 stack_size,
UINT32 priority,
UINT32 time_slice)
函数说明：创建一个任务，初始任务处于停止状态，等待启动。
参数说明：
name: 任务名称
ttype: 任务类型，见TASK_TYPE 类型定义
entry: 任务入口
param: 任务入口参数
stack_size: 任务栈大小
priority: 任务优先级
time_slice: 时间片，应用于周期性任务
返回值：
0： 创建任务失败
任务句柄：创建成功的任务句柄
(2)销毁任务
VOID Destroy_Task(HANDLE hTask)
(3)启动任务
VOID Start_Task(HANDLE hTask)
（4）停止任务
VOID Stop_Task(HANDLE hTask)
(5)获得当前任务
HANDLE Current_Task(VOID)
(6)设置任务优先级
UINT32 Set_Priority(HANDLE hTask,UINT32 new_priority)
(7)获得任务优先级
UINT32 Get_Priority(HANDLE hTask)
(8)睡眠任务
VOID Sleep(UINT32 time)
(9) 唤醒任务
VOID Wakeup(HANDLE hTask)
＜三＞消息操作
首先引入一个概念：消息过滤
消息过滤就是在接收消息的时候，指定要接收的消息的约束条件，只有满足这些条件的消息才被返回．
过滤器结构如下： UINT32 filter[]={n,msg1,msg2,...,msgn};
过滤器模式如下： 0：FILTER_MODE_AND
1：FILTER_MODE_OR
其次，这些函数操作消息的时候，通常传入的都是消息指针的指针．这样当某个消息发送后（或者消息释放后），该消息指针将会被置空，防止程序继续访问已经发送的消息．这很重要，举个例子，你给某人寄信，一旦信件寄出，信件就不属于你了，你也没有机会修改信件，也不能取消．
通过这样的设计，可以把当前主流RTOS支持的各种任务间通信机制，合并成一种。
（1）创建消息
VOID* Create_Message(UINT32 size,UINT32 msgId)
(2) 释放消息
VOID Free_Message(T_MSG**ppMsg)
(3) 向任务发送消息
SINT32 Send_Message(T_MSG**ppMsg,HANDLE hTask,SINT32 timeout)
当函数返回时。将会返回错误码，*ppMsg==NULL，从而阻止程序访问已经发送了的消息。
timeout=0，函数不阻塞，立即返回
timeout=-1,函数阻塞，直到消息发送完毕
其他情况，函数阻塞指定的时间。
(4)从当前任务接收消息
T_MSG* Reiceive_Message(UINT32 filter[],UINT32 mode,UINT32 timeout)
返回当前任务收到的满足过滤器条件的消息。
当mode=FILTER_MODE_AND时，只有当过滤器指定的消息全都收到，函数才返回消息链表。
当mode=FILTER_MODE_OR时，收到任何一个过滤器中的消息，函数就返回
当过滤器为空时，收到任何消息灰返回。
timeout的含义与Send_Message中的类似
(5)获得消息所用的内存尺寸大小
UINT32 Get_MessageSize(T_MSG*ppMsg)
(6)获得指定消息的发送方任务
HANDLE Get_MessageSender(T_MSG*pMsg)
（7）获得消息链表中的下一个消息，当收到消息链时有用
T_MSG* Get_MessageNext(T_MSG*ppMsg)
<四> 互斥信号量
这个名字叫得有点怪,我们将要讨论的确实是一个信号量,但是用于临界区保护.传统信号量的通信功能,已经被<第三节消息操作>所替代.
(1)创建信号量
HANDLE Create_Semaphore(const SINT8 *name, UINT32 iniCnt)
如果创建的是临界区，iniCnt通常设置为1
(2)销毁信号量
VOID Destroy_Semaphore(HANDLE hSemaphore)
(3)等待信号量
SINT32 Wait_Semaphore(HANDLE hSemaphore)
将会返回错误码
(4)释放信号量
SINT32 Give_Semaphore(HANDLE hSemaphore)
将会返回错误码
<五> 定时器
这里的定时器，指的是以系统始终为驱动源，定时精度为tick级别（具体tick单位为多少，取决于系统配置），能满足大多数定时精度要求不高的应用需求的“软定时器”。高精度定时通常直接采用SOC上的硬定时器，不在本文讨论范围。以下说的定时器，专指软定时器。
定时器大多是在应用任务中设置，传统的设计采用回调函数的方式来处理定时器超时事件。每个定时器都有不同的回调函数，回调函数不在应用任务上下文中执行，大多数在内核中执行，牵涉到应用共享数据的任务（线程）安全问题。所以很多应用得自己实现一套应用级定时器。
操作系统应该实现这些功能，提供这种定时服务，让工程师专职于应用设计。以下列出了 必要的API借口。
（1）启动定时器
BOOL Set_Timer(UINT32 ms,UINT32 timeType,UINT32 timeId)
参数说明：
ms: 定时器间隔，毫秒为单位
timeType:定时器类型。0表示一次性定时器，1表示周期性定时器
timeId:定时器标识，应用自定义。该值将作为超时消息参事发送给应用。
（2）停止定时器
BOOL Stop_Timer(UINT32 timeId)
(3)获得系统时钟tick数
UINT32 Get_SystemTick(VOID)
（4）设置系统时钟tick数
BOOL Set_SystemTick(UINT32 ticks)
(5)tick与毫秒的转换
UINT32 Micros2Ticks(UINT32 ms)
UINT32 Ticks2Micros(UINT32 ticks)
<六> 中断
中断处理函数类型定义：
typedef VOID (*T_ISR)(UINT32 vec)
（1）关联中断
T_ISR Connect_ISR(UINT32 vec,T_ISR routine)
该函数将中断处理函数和中断向量关联起来,并返回原来的中断函数
(2) 关闭中断
UINT32 Disable_Interrupt(UINT32 level)
level=0xffffffff,表示关闭所有中断
(3)使能中断
VOID Enable_Interrupt(UINT32 level)
level=0xffffffff,表示使能所有中断
<七> 调度器
VOID Scheduler_Lock():禁止调度，但是不禁止中断
VOID Scheduler_UnLock()：解禁调度。
<八>内存管理
（1）创建内存池
HANDLE Create_MemPool(UINT8 *memStart,UINT32 poolSize,UINT32 poolType,UINT32 fixSize)
参数说明：
memStart：内存池开始地址（但是不是用户使用能分配的内存起始地址）
poolSize:内存池大小，一字节为单位
poolType：0，动态尺寸内存池，1表示固定尺寸内存池
fixSize：如果poolType=1，则表示固定块的大小。其他情况，忽略。
（2）销毁内存池
VOID Destroy_MemPool(HANDLE hPool)
(3)分配内存
VOID* MemMalloc(HANDLE hPool,UINT32 size)
如果内存池是固定大小类型，size被忽略
（4）释放内存
VOID MemFree(VOID*pMem)
鉴于内存使用的多样性，工程师可以使用上述接口，封装成满足要求的库接口。
<九>错误处理
（1）设置捕捉错误
VOID Set_Trap(T_ERR_HANDLER errHandler)
(2) 捕捉错误
VOID Trap(UINT32 errNo)
<十>其他接口
系统配置
VOID SysConfig(const VOID* staticConfig)
VOID*GetSysConfig(VOID)
系统环境创建
VOID SetupSystem(const UINT8* mem,UINT32 size)
系统启动
VOID SysStart()
（to be continue.....）
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半吊子全栈工匠 2009-05-20
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