rt-thread 優(yōu)化系列（0） SysTick 優(yōu)化分析

前言

論壇里有人提出了一個(gè)疑問，說 STM32 系列 bsp 在初始化系統(tǒng)時(shí)鐘的過程中使用到了 tick ，而 tick 需要初始化并使能 SysTick 中斷。但是呢，SysTick 中斷中有 rtt 的 tick 以及硬定時(shí)器檢測(cè)，以及可能存在的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。初始化時(shí)鐘是極其早期必須完成的工作，這個(gè)時(shí)候別說系統(tǒng)了，其它外圍設(shè)備也沒有被初始化。由此產(chǎn)生一個(gè)問題，極其早期使用了比較后期的資源，同時(shí)，因?yàn)樾枰褂?SysTick 中斷而簡(jiǎn)單粗暴地使用 `__set_PRIMASK` 使能了總中斷?。?！這是萬(wàn)萬(wàn)不可取的。

有人發(fā)現(xiàn)了這一矛盾之處，在[論壇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2857.html) 里和 gitee 的 [issue]( https://gitee.com/rtthread/rt-thread/pulls/246) 里也是各執(zhí)己見，熱鬧非凡。

下面我講講我的處理方案。

理論前提

1. rtt 標(biāo)榜的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)中頻繁執(zhí)行的代碼需要嚴(yán)格審查，保證沒有一行多余代碼。（非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也不希望自己多數(shù)時(shí)候空跑一條無(wú)用的代碼）
2. 中斷是個(gè)很棘手的東西，在不確定開中斷會(huì)引起什么后果的時(shí)候，堅(jiān)決不能開中斷。
3. rtt 系統(tǒng)啟動(dòng)是有它自己的流程的。分階段的，任何資源的初始化都有個(gè)階段以及先后順序。
4. 板級(jí)初始化，如非必要，如果可以延遲盡量延遲，先保證 rtt 內(nèi)核調(diào)度運(yùn)行起來(lái)。

基于以上幾點(diǎn)，我的修改方案如下。

預(yù)初始化 SysTick

上電后，MCU 默認(rèn)使用的內(nèi)部晶振，時(shí)鐘也是默認(rèn)值，這個(gè)時(shí)候使用默認(rèn)值初始化 SysTick，但是**不開啟中斷**！??！
在 STM32 的 bsp 里，因?yàn)橛腥缦抡{(diào)用關(guān)系 `rt_hw_board_init` -> `HAL_Init` -> `HAL_InitTick`。
`HAL_InitTick` 在 hal 里是弱實(shí)現(xiàn)，'drv_common.c' 重新實(shí)現(xiàn)并且是個(gè)空函數(shù)，這里可以借用一下。

/* re-implement tick interface for STM32 HAL */
HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
   HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq() / RT_TICK_PER_SECOND);
   /* Return function status */
   return HAL_OK;
}

初始化系統(tǒng)時(shí)鐘

第二步配置時(shí)鐘頻率，切換內(nèi)外時(shí)鐘或者倍頻等等操作。中間如果有延時(shí)等待的需求，可以使用 SysTick 實(shí)現(xiàn) udelay 短延時(shí)，進(jìn)而通過 while 循環(huán)累積達(dá)到等待超時(shí)的效果。
首先，在 'drv_common.c' 文件里添加 `HAL_uDelay` 微秒延時(shí)實(shí)現(xiàn)，其實(shí)就是調(diào)用 `rt_hw_us_delay` 。
然后，在 'stm32xxx_hal_conf.h' 頭文件末尾添加一個(gè)通用宏定義：

#define HAL_WAITFOR_CONDITION(condition, ms) do { \
 uint32_t cnt = 0; \
 while((condition)) { \
   if (cnt > (ms) * 1000 / 10) \
   { \
       return HAL_TIMEOUT; \
   } \
   HAL_uDelay(10); \
   cnt++; \
 }\
} while(0)

其中，condition 是等待條件，ms 是等待超時(shí)時(shí)間。
因?yàn)?udelay 了 10us ，所以整體的精度就是 10us ，時(shí)間損失可以控制在 10us 內(nèi)。

涉及到的函數(shù)有 `HAL_RCC_OscConfig` `HAL_PWREx_EnableOverDrive` `HAL_RCC_ClockConfig` `HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig` 等。
其中一處修改前后

       /* Get Start Tick */
       tickstart = HAL_GetTick();
       /* Wait till HSE is ready */
       while(__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET)
       {
         if((HAL_GetTick() - tickstart ) > HSE_TIMEOUT_VALUE)
         {
           return HAL_TIMEOUT;
         }
       }

       /* Wait till HSE is ready */
       HAL_WAITFOR_CONDITION((__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET), HSE_TIMEOUT_VALUE);

其它地方如法炮制，只是把等待條件和等待時(shí)間添加到宏函數(shù)里。

rt_hw_board_init 調(diào)整

調(diào)整后的代碼如下：
1. 去掉開啟關(guān)閉全局中斷操作；
2. 提前控制臺(tái)串口初始化；
3. 堆棧的初始化并不需要那么著急，但是必須在 rt_components_board_init 之前；
4. gpio 初始化也在 rt_components_board_init 之前。

其中 2-4 的調(diào)整是調(diào)試需求控制臺(tái)。
最終結(jié)果如下。

RT_WEAK void rt_hw_board_init()
{
#ifdef SCB_EnableICache
   /* Enable I-Cache---------------------------------------------------------*/
   SCB_EnableICache();
#endif
#ifdef SCB_EnableDCache
   /* Enable D-Cache---------------------------------------------------------*/
   SCB_EnableDCache();
#endif

   /* HAL_Init() function is called at the beginning of the program */
   HAL_Init();

   /* System clock initialization */
   SystemClock_Config();

   rt_hw_systick_init();

   /* USART driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_SERIAL
   rt_hw_usart_init();
#endif

   /* Set the shell console output device */
#ifdef RT_USING_CONSOLE
   rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);
#endif

   /* Pin driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_PIN
   rt_hw_pin_init();
#endif

   /* Heap initialization */
#if defined(RT_USING_HEAP)
   rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);
#endif

   /* Board underlying hardware initialization */
#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
   rt_components_board_init();
#endif
}

修改 `rt_hw_systick_init`

去掉 `rt_hw_systick_init` 函數(shù)中使能 SysTick 中斷的操作。添加使能 SysTick 中斷函數(shù)。

void rt_hw_systick_irq_enable(void)
{
   HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}

修改 `rtthread_startup`

添加使能 SysTick 中斷處理。

   rt_hw_systick_irq_enable();
      /* start scheduler */
   rt_system_scheduler_start();

SysTick_Handler 異常響應(yīng)

目前，`SysTick_Handler` 函數(shù)就下面這么清爽，不需要考慮并行增加 hal 的tick值。

void SysTick_Handler(void)
{
   /* enter interrupt */
   rt_interrupt_enter();
      rt_tick_increase();

   /* leave interrupt */
   rt_interrupt_leave();
}

運(yùn)行測(cè)試

修改后系統(tǒng)啟動(dòng)正常，運(yùn)行正常。
RCC 初始化過程如果失敗，等待超時(shí)也能正常超時(shí)返回。
經(jīng)過初步驗(yàn)證，不使用 SysTick 前提下初始化配置硬件的可行性還是有的。

其它可行性

這次嘗試僅限于最小范圍，僅僅考慮了系統(tǒng)時(shí)鐘配置過程，未考慮其它板級(jí)外設(shè)配置過程。考慮到 hal 是比較龐大的，每次 hal 升級(jí)都把所有的 hal 文件修改一遍工作量也是不小的。這樣也不方便。如果降低修改范圍，只修改 RCC 相關(guān)部分，其它外設(shè)配置仍然想正常使用 SysTick ，有一種方法就是繼續(xù)提前系統(tǒng)調(diào)度的啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)。
鑒于此，系統(tǒng)啟動(dòng)流程大致如下
1. 配置系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)配置 SysTick（同前）；
2. 初始化 rtt 系統(tǒng)調(diào)度器；
3. 初始化 idle 線程；
4. 啟動(dòng) SysTick 中斷；
5. 啟動(dòng) idle 線程并啟動(dòng) rtt 系統(tǒng)調(diào)度；
6. 由 idle 線程初始化調(diào)試串口；
7. 由 idle 線程初始化內(nèi)存堆；
8. 由 idle 線程調(diào)用執(zhí)行 `rt_components_board_init` 初始化板級(jí)外設(shè)配置；
9. 由 idle 線程創(chuàng)建 main 和 soft timer 線程。
10. main 線程進(jìn)行組件初始化配置，以及創(chuàng)建其它應(yīng)用線程。

由此，可以做到以下幾點(diǎn)：
1. 保障所有操作都在是線程中進(jìn)行的。省去很多 `if (rt_thread_self() != RT_NULL)` 的操作；
2. 保障中斷可以及早放心打開；
3. 明確啟動(dòng)流程，確定啟動(dòng)流程每一階段的工作重點(diǎn)以及必須完成的任務(wù)。

缺點(diǎn)，因 idle 線程工作量變多，idle 線程?？赡軙?huì)比較大。一個(gè)空閑線程占用過多的內(nèi)存也是浪費(fèi)。另外，多核處理器的 idle 線程數(shù)量和核心數(shù)量一樣，由哪個(gè) idle 線程完成上面的工作也需要做個(gè)抉擇。

> 本優(yōu)化系列所有提到的更改已經(jīng)提交到 gitee ，歡迎大家測(cè)試
https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo

審核編輯：湯梓紅