LuatOS 框架的嵌入式系统架构设计原理-电子发烧友网

LuatOS 重新定义了嵌入式系统的开发范式——将 Lua 脚本作为主程序语言，构建起完整的系统架构。其设计原理围绕“脚本主导、C 层支撑”展开，通过在固件中嵌入 Lua 解释器，将硬件操作抽象为 API 接口，使开发者能用高级语言快速实现底层控制。这一设计显著提升了开发效率，同时保持了良好的运行性能。

一、LuatOS框架中的概念

在LuatOS中，有三个核心概念和一个调度器：

1、三个核心概念：任务（task），消息（message），定时器（timer）

2、一个调度器：sys.run()函数；

1.1 LuatOS任务（task）

1.1.1 FreeRTOS task和LuatOS task

从上面这张图中我们可以看到，有两种任务：

1、第一种是LuatOS内核固件中的任务，也就是FreeRTOS创建的任务；这种任务我们把它命名为FreeRTOS task；

2、第二种是LuatOS项目应用脚本中的任务，也就是用户脚本代码中调用sys.taskInit和sys.taskInitEx两个API创建的任务，这种任务我们把它命名为LuatOS task；严格意义上说，LuatOS task并不是真正的task，而是利用了Lua中的协程（coroutine）概念，来等价实现的一种task效果，因为task的受众面比协程的受众面要广的很多，所以我们在LuatOS中，将协程（coroutine）包装成了task的概念，这样更容易理解和使用；关于协程（coroutine）的知识，在本文接下来的内容中，我们会接触到。

在这里我使用一个形象的比喻，争取可以让大家更加直观的理解这两种任务的联系和区别：

1、有一个森林，这个森林就是FreeRTOS；

2、森林里生长了很多棵大树，每一棵大树都是FreeRTOS创建的一个任务，就是FreeRTOS task；

这些大树分成了两种：

a. 一种是长出了树干，树干上还有很多树枝，这一种大树只有一棵，就是Lua虚拟机任务

b. 一种是只长了光秃秃的树干，树干上没有树枝，这种大树有很多，除Lua虚拟机之外，其余所有任务都是这种大树

Lua虚拟机任务这棵大树的树干上长出的所有树枝，就是一个个的LuatOS task

根据以上描述画一张简图如下：

1.1.2 两种LuatOS task（基础task和高级task）

怎么创建一个task，在sys核心库中提供了两个api：

sys.taskInit(task_func, ...)

sys.taskInitEx(task_func, task_name, non_targeted_msg_cbfunc, ...)

这两个api分别创建两种task，首先我们给这两种task起个名字，一种叫基础task，一种叫高级task；

sys.taskInit(task_func, ...)创建的task是基础task；

sys.taskInitEx(task_func, task_name, non_targeted_msg_cbfunc, ...)创建的task是高级task；

从设计原理的角度来看，基础task和高级task的区别是：

(1) 所有的基础task共享一个全局消息队列；

(2) 每个高级task都有自己独立的定向消息队列，同时又能使用全局消息队列；

1.1.3 LuatOS task内部运行环境和外部运行环境

在LuatOS应用脚本开发过程中，我们所编写的应用脚本代码，存在两种业务运行的逻辑环境：

1、一种是在task的任务处理函数内部的业务逻辑环境中运行，我们简称为：在task内部运行；

2、一种是在task的任务处理函数外部的业务逻辑环境中运行，我们简称为：在task外部运行；

怎么理解这两种业务逻辑运行环境？我们看下面这张图

看右边生长出分支的这棵大树，这棵大树就是FreeRTOS创建的Lua虚拟机task，是一个FreeRTOS task；

在这个Lua虚拟机FreeRTOS task上，这棵大树再分为两部分：

1、树干部分：树干部分运行的业务逻辑环境就是LuatOS task外部运行环境；

2、树枝部分：每个树枝都是一个独立的LuatOS task，树枝部分运行的业务逻辑环境就是LuatOS task内部运行环境；

在这里，大家只要知道有task内部运行和task外部运行两种环境即可，接下来我们下面讲解内部设计原理时，会进一步去学习理解；

1.1.4 LuatOS task状态切换

1.2 LuatOS消息（message）

LuatOS 的消息机制是LuatOS task协作和事件驱动编程的核心部分，消息机制包括消息的发布和订阅处理、消息的发送和接收处理；

1.2.1 三种消息队列

消息需要存储到消息队列中，消息队列中的消息遵循先进先出（FIFO）原则；

内核消息队列

FreeRTOS创建的每一个task都有一个消息队列，这种消息队列就叫做内核消息队列；

内核消息队列是FreeRTOS直接管理的，存储每个FreeRTOS task内核消息的队列；

LuatOS应用全局消息队列

所有LuatOS task应用共享一个消息队列，这个消息队列就叫做LuatOS应用全局消息队列；

LuatOS应用全局消息队列是LuatOS虚拟机直接管理的；

LuatOS基础task可以接收处理这个消息队列中的消息，LuatOS高级task可以接收处理这个消息队列中的消息；

LuatOS外部运行环境中的业务也可以接收处理这个消息队列中的消息；

LuatOS应用定向消息队列

每个LuatOS 高级task都有一个消息队列，这个消息队列就叫做LuatOS应用定向消息队列；

LuatOS应用定向消息队列是LuatOS虚拟机直接管理的；

每个定向消息队列和一个LuatOS高级task存在唯一的绑定关系；

只有绑定的LuatOS高级task才可以接收处理这个消息队列中的消息；（虽然从源码设计上看，所有的LuatOS高级task都可以接收处理定向消息队列中的消息，但是这样使用的话，理解起来会比较混乱）

1.2.2 六种消息

根据消息存储使用的消息队列类型以及消息发送方的不同，可以把消息划分为以下六类：

1.3 LuatOS定时器（timer）

对于LuatOS应用程序来说，定时器本质上也算是一种特殊的消息，因为定时器太常用了，所以把他单独拎出来，单独的一个章节进行讲解；

定时器分类如下图所示：

1.4 LuatOS调度器（sys.run()）

sys核心库是LuatOS应用程序运行的核心大脑，sys.run()是sys核心库的大脑，负责整个LuatOS应用脚本程序的调度和管理，是LuatOS应用程序的调度器；

sys.run()非常重要，但是sys.run()使用起来非常简单，仅仅在main.lua的最后一行调用sys.run()即可。

虽然sys.run()使用起来非常简单，但是如果大家对sys.run()的运行原理有一个总体性的理解和认识，对开发LuatOS应用项目来说，帮助很大。

所以在这里，我先对sys.run()内部的工作原理做一个简化后的总体介绍，至于更详细的原理介绍，我们会在下面进行详细讲解；

我们看上面这张图：

1、LuatOS内核固件中的FreeRTOS会创建一个Lua虚拟机任务；

2、Lua虚拟机任务的处理函数中，首先进行初始化：

在内核固件的C代码中，加载Lua标准库和LuatOS核心库；

从LuatOS的脚本分区找到main.lua

开始逐行嵌套解析执行main.lua中的脚本代码（加载必要的扩展库脚本文件和自己开发的应用脚本文件，并且运行这些脚本文件的初始化代码）

3、运行main.lua的最后一行代码sys.run()

4、sys.run()中的实现是一个while true循环，在这个循环内，不断地从内核消息队列和LuatOS应用消息队列中读取消息，并且分发消息给接收者进行处理。

二、sys.lua源码分析方法

通过本文前三部分的描述，我们对LuatOS运行框架的基础理论知识做了简单的回顾；

接下来我们进入本讲的重点内容：学习理解LuatOS运行框架的内部设计源码；

sys核心库是LuatOS运行框架库，是LuatOS应用程序运行的核心大脑；

我们要深入学习LuatOS框架的内部设计原理，就是要深入学习sys核心库的内部设计实现原理；

sys.lua源文件是sys核心库的代码实现，点击这里可以看到sys.lua源码；

所以本讲课程中，我们接下来会重点分析sys.lua的源码实现；通过分析sys.lua源码，从而来学习理解LuatOS框架的设计原理；

sys.lua是sys核心库的内部实现；

说到核心库，我们再来回顾一下LuatOS软件架构，如下图所示：

之前我们讲述LuatOS软件架构时，当时有说，LuatOS核心库是用C语言开发的，这个描述并不准确，在核心库中，有一个特例，就是sys核心库，这个核心库是用Lua语言开发的，并且源码也开放了；

虽然sys核心库是用Lua语言开发的，但是它还是一个核心库，在编译内核固件的时候，会把sys.lua源文件集成到编译好的内核固件中对外发布；

我们今天采用以下方式来学习sys.lua源码设计：

1、在目前的sys.lua源文件中增加详细的注释和运行日志，分析代码设计

2、使用LuatOS PC模拟器，运行demo代码+第1步增加运行日志的sys.lua，通过分析运行日志，进一步理解sys.lua的设计原理

在模拟器上运行demo代码的方法，

本讲中使用的demo代码参考luatos_framework；模拟器运行时的命令如下：

要深入理解LuatOS框架的设计原理，其实就是深入学习sys.lua中的以下几个概念：

1、一个调度器：sys.run()

2、三个概念：任务（task），消息（message），定时器（timer）

3、五张表：

高级task任务列表（taskList）

全局消息订阅表（subscribers），全局消息队列（messageQueue）

定时器处理表（timerPool），定时器回调函数参数表（para）

三、LuatOS 调度器（sys.run()）内部设计

LuatOS调度器sys.run函数的主体处理逻辑参考下图中黄色背景部分

从这张图可以看出，在LuatOS内核固件中有一个FreeRTOS，FreeRTOS运行起来之后，创建了很多任务，有软件定时器任务，TCP/IP协议栈任务，文件系统任务，Lua虚拟机任务等。

其中Lua虚拟机任务和LuatOS项目的应用软件关系最为密切；

Lua虚拟机任务运行起来之后，经过必要的初始化动作，就会去寻找main.lua脚本文件，找到之后，从main.lua的第一行代码开始解析执行，main.lua会执行必要的初始化动作并且加载运行其他的Lua脚本应用功能模块，main.lua的最后一行代码为sys.run()，sys.run()是一个while true的循环函数，实际上也是Lua虚拟机任务的处理函数；

在这个while循环里面，不断的分发处理各种消息，调度LuatOS项目应用软件的正常运行。

现在，我们一起看下刚才描述的这个过程的源码，在阅读源码之前，我们先看下面这张框图，描述了主要源码函数和代码段的调用过程：

四、LuatOS 任务（task）内部设计

4.1 sys.taskInit（创建并且运行基础task）

4.1.1 源码分析

我们接下来再看sys.coresume(co, ...)的源码

通过分析sys.taskInit这个api的源码，我们可以看出，LuatOS的task概念，实际上是对Lua语言的协程（coroutine）概念的一层封装，因为task的受众面比协程的受众面要广的很多，所以我们在LuatOS中，将协程（coroutine）包装成了task的概念，这样更容易理解和使用；

4.1.2 Lua语言中协程（coroutine）概念的理解

在LuatOS的sys.lua中，把Lua中的协程概念包装成了task概念，来实现多任务的编程效果；

所以我们要想深入理解sys.lua中的内部设计，势必要对Lua语言中的协程概念有一个基本的认识；

在 Lua 语言中，协程（coroutine）是一种用户态的轻量级线程，它允许程序在执行过程中暂停和恢复，从而实现协作式的多任务处理。与操作系统的线程不同，协程的调度完全由程序自身控制，而非由操作系统内核调度；

1、在LuatOS的sys.lua中，仅仅关注协程的三种状态：

挂起（suspended）状态，以下两种情况，协程处于挂起状态：

coroutine.create(f)创建协程后，未主动运行这个协程；

协程运行过程中，被本协程内部调用coroutine.yield(...)暂停；

运行（running）状态：

处于挂起状态的协程co，在此协程外执行coroutine.resume(co[, ...])则恢复为运行状态；

死亡（dead）状态：以下两种情况，协程处于死亡状态：

协程正常运行结束；

协程运行过程中出现异常结束；

2、协程的核心特点

协作式：协程必须主动让出执行权（通过调用coroutine.yield(...)），其他协程才有机会运行。

状态保留：协程暂停挂起时会保存当前执行状态（如变量、栈），恢复时从暂停处继续。

4.1.3 应用示例

针对刚才对sys.taskInit源码的分析，接下来我们一起在模拟上运行一个demo示例，加深一下对sys.taskInitapi内部设计的理解；

核心代码片段如下（重点关注黄色背景的代码）：

main.lua

scheduling.lua

首先我们分析一下，在这个demo示例中，使用sys.taskInit(task1_func)创建的任务，任务处理函数的task1_func()的源码+sys.lua源码，分析下代码是如何调度运行的；

接下来我们使用模拟器，针对以下几种场景，实际跑一下这个demo示例看看运行效果：

模拟器运行指令如下：

1、打开 scheduling.lua中的count = count + "hdjks"

最终运行的核心日志为

2、打开 scheduling.lua中的count = count + "hdjks"

sys.lua中的return wrapper(arg[1], coroutine.resume(...))修改为return coroutine.resume(...)

最终运行的核心日志为

3、打开 scheduling.lua中的count = count + "hdjks"

打开main.lua中的

_G.COROUTINE_ERROR_ROLL_BACK = false

_G.COROUTINE_ERROR_RESTART = false

最终运行的核心日志为

4.2 sys.taskInitEx（创建并且运行高级task）

4.2.1 数据结构（taskList）

4.2.2 源码分析

从上面这段代码可以看到，使用sys.taskInitEx创建一个高级task，和使用sys.taskInit创建一个基础task相比，最核心的区别是多申请了一个高级task全局信息表{msgQueue={}, To=false, cb=cbFun}，这个全局信息表是高级task处理定时器消息和定向消息的关键；下图中高级task指向的定向消息队列，对应的就是高级task全局表中的msgQueue={}

4.2.3 应用示例

使用sys.taskInitEx创建一个高级task，和使用sys.taskInit创建一个基础task相比，最核心的区别是多申请了一个高级task全局信息表{msgQueue={}, To=false, cb=cbFun}，其余实现原理和sys.taskInit完全相同，所以此处不再对sys.taskInitEx结合实际的demo示例来进一步理解了；

在后续的消息和定时器章节会进一步深入演示学习。

4.3 sys.taskDel（清除高级task的内存资源）

4.3.1 源码分析

4.3.2 应用示例

针对刚才对sys.taskDel源码的分析，接下来我们一起在模拟上运行一个demo示例，加深一下对sys.taskDelapi内部设计的理解；

核心代码片段如下（重点关注黄色背景的代码）：

main.lua

memory_task_delete.lua

接下来我们使用模拟器，针对以下三种场景，实际跑一下这个demo示例看看运行效果：

1、打开 memory_task_delete.lua中的sys.taskDel("led_task")

关闭 memory_task_delete.lua中的dhjsk = las + 2

关闭main.lua中的

_G.COROUTINE_ERROR_ROLL_BACK = false

_G.COROUTINE_ERROR_RESTART = false

最终运行的核心日志为

2、关闭 memory_task_delete.lua中的sys.taskDel("led_task")

关闭 memory_task_delete.lua中的dhjsk = las + 2

关闭main.lua中的

_G.COROUTINE_ERROR_ROLL_BACK = false

_G.COROUTINE_ERROR_RESTART = false

最终运行的核心日志为

3、打开 memory_task_delete.lua中的sys.taskDel("led_task")

打开 memory_task_delete.lua中的dhjsk = las + 2

打开main.lua中的

_G.COROUTINE_ERROR_ROLL_BACK = false

_G.COROUTINE_ERROR_RESTART = false

最终运行的核心日志为

4、打开 memory_task_delete.lua中的sys.taskDel("led_task")

打开 memory_task_delete.lua中的dhjsk = las + 2

关闭main.lua中的

_G.COROUTINE_ERROR_ROLL_BACK = false

_G.COROUTINE_ERROR_RESTART = false

最终运行的核心日志为

通过这个demo示例，我们可以看出sys.taskDel函数对于内存释放的作用，目前的LuatOS设计，只需要记住一点就行了：

高级task的任务处理函数中，在调用return语句返回前，或者任务处理函数的最后一行代码，调用sys.taskDel即可；

五、LuatOS 定时器（timer）内部设计

5.1 数据结构（timerPool和para）

5.2 api源码分析

现在，我在vscode上打开已经添加了详细注释的sys.lua，对以下每个api的源码进行分析（仅分析和定时器有关的源码部分），为了让大家对定时器的使用有一个更全局的认识，所以也会分析一部分LuatOS仓库中开源的内核C代码：

下面列举的函数调用栈，供分析源码时参考使用：

Lua->C：sys.timerStart，sys.timerLoopStart，sys.wait，sys.waitUntil，sys.waitMsg->rtos.timer_start

C： l_rtos_timer_start->luat_timer_start->xTimer接口

C：luat_timer_callback->luat_msgbus_put

Lua->C->Lua：sys.run->rtos.receive->luat_msgbus_get->l_timer_handler(返回rtos.MSG_TIMER，timer_id， repeat三个参数)

5.3 完整业务处理过程

5.4 应用示例

刚才我们已经分析了和定时器操作有关的sys.lua源码，在本讲的最后一章，我会基于一个实际的MQTT demo项目，逐行分析项目中应用脚本源码和sys.lua源码，让大家在实际的项目中深刻理解LuatOS运行框架中的消息设计原理；

六、LuatOS 消息（message）内部设计

6.1 数据结构（subscribers和messageQueue）

下图中的全局消息队列，对应的就是messageQueue ={}

6.2 api源码分析

现在，我在vscode上打开已经添加了详细注释的sys.lua，对以下每个api的源码进行分析（仅分析和消息处理有关的源码部分），为了让大家对消息的使用有一个更全局的认识，所以也会分析一部分LuatOS仓库中开源的内核C代码：

在这些api中，消息的发送和接收api容易混用，组合使用关系参考下表（每一行的两个单元格所表示的api必须组合使用）：

下面列举五种消息应用场景的完整业务处理过程：

6.3 内核非定时器消息完整业务处理过程（以串口接收到新数据消息为例）

1、uart.on(1, "receive", recv_cb)->l_uart_on

2、luat_irq_uart_cb->luat_msgbus_put

3、sys.run()->rtos.receive->luat_msgbus_get->l_uart_handler(在这里执行执行uart.on注册的回调函数recv_cb，然后返回空数据，sys.lua中的rtos.receive返回值为nil)

6.4 系统应用全局消息完整处理过程（以"IP_READY"为例）

在用户脚本代码中，根据具体的业务逻辑，订阅全局消息"IP_READY"

当某一种网卡网络环境准备就绪时，在内核固件的netif_ip_event_cb中，主动调用sys.lua中定义的_G.sys_pub = sys.publish，实际上就是调用sys.publish发布一条全局消息"IP_READY"，存储到sys.lua中的全局消息表messageQueue中

在sys.lua中，消息分发处理：sys.run->dispatch

6.5 用户应用全局消息完整处理过程

在用户脚本代码中，根据具体的业务逻辑，订阅全局消息

在用户脚本的代码，调用sys.publish发布全局消息

在sys.lua中，通过sys.run调度器，执行dispatch分发处理全局消息

6.6 系统应用定向消息完整处理过程（以socket.EVENT为例）

l_socket_callback，当内核固件中的某一个socket产生异步事件时（例如socke接收到新数据），主动调用sys.lua中定义的_G.sys_send = sys.sendMsg，实际上就是调用sys.sendMsg给指定Lua脚本中的高级task发送一条定向消息，存储到此高级task对应的定向消息队列taskList[task_name].msgQueue中

在用户脚本代码中，通过sys.waitMsg去处理定向消息

6.7 用户应用定向消息完整处理过程