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适用于Arduino 101的Azure RTOS ThreadX线程

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资料介绍

描述

微软的 Azure RTOS ThreadX 是开源的！我们想向您展示 ThreadX 的基础知识，以便您可以开始在您的 Arduino 项目中使用这个工业级 RTOS。

预计时间：设置：5 分钟；第 1 部分：5 分钟；第 2 部分：30 分钟；第 3 部分：15 分钟

估计成本：配备ATSAMD21 或 ATSAMD51芯片的设备 $

介绍

本教程将向您展示如何在 Azure RTOS ThreadX for Arduino 中使用多线程。您将从经典的 Blink 示例开始，并将其转换为 ThreadX 应用程序。

Azure RTOS：用于微控制器 (MCU) 上的嵌入式 IoT 应用程序的 Microsoft 开发套件。Azure RTOS不需要Azure即可运行。

Azure RTOS ThreadX：Azure RTOS 产品的一个组件。ThreadX是设计用于在 MCU 上运行的实时操作系统 (RTOS)。

Azure RTOS ThreadX for Arduino：Azure RTOS ThreadX 作为库到 Arduino 的端口。请访问GitHub 上的AzureRTOS-ThreadX-For-Arduino获取源代码。

涵盖的内容

在本教程结束时，您应该了解以下内容：

术语：内核、线程、线程控制块、优先级、抢占、抢占阈值

Ac tions ：如何使用 ThreadX 实现单线程；如何使用 ThreadX 实现多线程

最终代码：在GitHub 上查看完整的 ThreadX 多线程 Blink 代码示例。

先决条件

安装Arduino IDE 1.8.x。
拥有使用ATSAMD21 或 ATSAMD51芯片的设备。查看此已验证板的列表。

以下是在 Windows 11、Arduino IDE 1.8.19、Arduino MKR WiFi 1010 和 Seeed Studio Wio 终端上运行的。

设置

预计时间： 5 分钟

步骤 1.打开 Arduino IDE。

步骤 2.安装 Azure RTOS Arduino 库。

导航到工具 > 管理库...
搜索“Azure RTOS” 。
安装“Azure RTOS ThreadX” 。请务必安装最新版本。

librarymanager_azurertos_xkKBCwMBZ5.png?auto=compress%2Cformat&w=740&h=555&fit=max

步骤 3.为您的设备安装板包。（本示例使用 Arduino MKR WiFi 1010。）

导航到工具 > 板：... > 板管理器...
搜索“MKR WiFi 1010” 。
安装“Arduino SAMD 板（32 位 ARM Cortex-M0+）” 。请务必安装最新版本。

boardsmanager_mkrwifi1010_qA9rojesgB.png?auto=compress%2Cformat&w=740&h=555&fit=max

第 1 部分：运行 Arduino Blink 示例

在本节中，我们将运行传统的 Blink 示例以确认设备设置正确。

预计时间： 5 分钟

步骤 1.打开 Blink 示例。

导航到文件 > 示例 > 01.Basics 。
选择“闪烁” 。

第 2 步。连接您的设备。

将您的设备插入您的 PC。
导航到工具 > 板：... > Arduino SAMD 板（32 位 ARM Cortex-M0+）
选择“Arduino MKR WiFi 1010” 。
导航到工具 > 端口。
选择“<与设备关联的端口>” 。

步骤 3.运行示例。

在左上角，选择“上传”图标。验证将首先自动进行。
观察 LED 每 1 秒闪烁一次。

深潜

代码

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                     // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);  // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                     // wait for a second
}

到底是怎么回事？

Arduino 利用了两个核心功能：setup()和loop(). 一旦setup()完成，loop()就会在内部启动并运行程序的其余部分。因为不存在 RTOS，所以这段代码可以被认为是裸机编程。

有关更多信息，请参阅完整的 Arduino Blink示例。

第 2 部分：通过 ThreadX 转换 Blink 示例

在本节中，我们将使用 ThreadX 将裸机 Blink 示例转换为单线程 RTOS 版本。

预计时间： 30 分钟

步骤 1.保存示例。

导航到文件 > 另存为。
将草图另存为'Blink_ThreadX' 。

步骤 2. (1) 在文件顶部附近添加 Azure RTOS ThreadX 库头文件。tx_api.h将它放在评论之后，但在setup()功能之前。

/* (1) Add the Azure RTOS ThreadX library header file. */
#include

到底是怎么回事？

tx_api.h是您在 Arduino 中使用 ThreadX 时唯一需要包含的头文件。tx是 ThreadX 的缩写。API 中的所有函数都以tx. 所有常量和数据类型都以TX.

步骤 3. (2) 将内核入口函数添加tx_kernel_enter()到setup().

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  /* (2) Add the kernel entry function. */
  tx_kernel_enter();
}

到底是怎么回事？

内核是 RTOS 的核心组件。将其视为项目的首席协调员或物流总监。通过“进入”内核，RTOS 内核可以开始运行和管理您的嵌入式应用程序。

该程序永远不会从tx_kernel_enter(). 结果，应用程序将不会返回setup()，loop()也不会被调用。

重要提示：“对 tx_kernel_enter() 的调用不会返回，因此不要在其后进行任何处理。”

有关. _ _tx_kernel_enter()

Step 4. (3) 添加线程栈内存和线程控制块。将其放置在文件顶部附近之后#include 和之前setup()。

/* (3) Add the thread stack memory and thread control block. */
#define THREAD_STACK_SIZE 512

TX_THREAD thread_0;
UCHAR thread_0_stack[THREAD_STACK_SIZE];

到底是怎么回事？

线程是进程（即正在运行的应用程序）内的特定执行路径。线程与其他线程共享内存空间，但有自己分配的堆栈空间。我们将此堆栈大小定义为THREAD_STACK_SIZE字节并使用数组thread_0_stack来分配内存。有关线程堆栈区域的更多信息，请参阅Microsoft Learn 的 ThreadX 第 3 章：ThreadX 的功能组件。

线程控制块包含线程的特定数据。TX_THREAD是线程控制块的 ThreadX 数据类型。有关. _ _TX_THREAD

重要提示：“ThreadX 不使用术语任务。相反，使用更具描述性和现代性的名称线程。” 有关任务与线程的更多信息，请参阅Microsoft Learn 的 ThreadX 第 1 章：ThreadX 简介。

Step 5. (4) 定义线程的入口函数thread_0_entry()。将函数定义放在thread_0_stack数组之后和之前setup()。

/* (4) Define the thread's entry function. */
void thread_0_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  while(1)
  {
    /* Add thread logic to execute here. */
  }
}

到底是怎么回事？

线程的入口函数由内核调用，包含线程执行逻辑。通常，此函数将包含一个无限循环（即while(1)），它将在整个运行程序中执行。此函数的名称由用户确定。

步骤 6. (5) 将 LED 闪烁逻辑从loop()线程的入口函数中移出。替换delay(1000)为tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND)。

void thread_0_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  while(1)
  {
    /* (5) Move the LED blink logic into the thread's entry function. */
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);            // turn the LED on
    tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND); // wait for a second
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);             // turn the LED off
    tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND); // wait for a second  
  }
}
// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  /* (5) Move the LED blink logic into the thread's entry function. */
  /* This will never be called. */
}

到底是怎么回事？

因为loop()将不再被调用，所以必须将闪烁逻辑移到新线程中。该delay()函数有局限性，因为我们稍后要暂停线程以允许其他线程执行，我们将使用 ThreadX 的tx_thread_sleep()函数来代替。此函数将计时器滴答作为其参数，而不是毫秒。

Step 7. (6) 添加应用程序的环境设置功能tx_application_define()。将此函数放置在之后thread_0_entry()和之前setup()。

/* (6) Add the application's environment setup function. */
void tx_application_define(void *first_unused_memory)
{
  (VOID)first_unused_memory;

  /* Put system definition stuff in here, e.g. thread creates and other assorted
     create information. */
}

到底是怎么回事？

内核入口函数tx_kernel_enter()将调用该函数tx_application_define()来设置应用程序环境和系统资源。用户有责任使用为 RTOS 环境创建系统资源的逻辑来实现此功能。

有关. _ _tx_application_define()

第 8 步。(7) 使用 . 创建线程tx_thread_create()。将此函数调用添加到tx_application_define().

void tx_application_define(void *first_unused_memory)
{
  (VOID)first_unused_memory;

  /* Put system definition stuff in here, e.g. thread creates and other assorted
     create information. */

  /* (7) Create the thread. */
  tx_thread_create(&thread_0, "thread 0", thread_0_entry, 0,  
    thread_0_stack, THREAD_STACK_SIZE, 
    1, 1, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);
}

到底是怎么回事？

tx_thread_create()创建具有指定参数的线程。此示例中使用的参数反映以下内容：

&thread_0: 指向定义的线程控制块的指针。（见步骤 4。）
"thread_0": 线程名称（即，指向名称的指针）。
thread_0_entry：用户自定义线程入口函数。（见步骤 5。）
0: 线程的入口输入。我们没有利用这个论点。
thread_0_stack: 指向线程堆栈开始的指针。（见步骤 4。）
THREAD_STACK_SIZE：线程堆栈的大小（以字节为单位）。（见步骤 4。）
1: 线程的优先级。
1：线程的抢占阈值。
TX_NO_TIME_SLICE: 时间片被禁用。
TX_AUTO_START: 线程自动启动。

线程的优先级有助于线程调度程序确定接下来要执行的线程。一些线程可能对执行更为关键，因此相对于其他线程被赋予更高的优先级。ThreadX 有 32 个默认优先级，从 0 到 31，0 为最高优先级，31 为最低优先级。

抢占是指停止现有线程的执行，以便可以运行更高优先级。调度程序控制这一点，当中断线程完成时，执行返回到暂停的线程。

抢占阈值是 ThreadX 独有的。只有高于此阈值的优先级才能抢占线程。

有关线程执行、线程优先级、线程调度和线程抢占的更多信息，请参阅Microsoft Learn 的 ThreadX 第 3 章：ThreadX 的功能组件。

步骤 9.使用 Azure RTOS ThreadX 运行 Blink 示例。

按照第 2 步。连接您的设备和第 3 步。运行第 1 部分中的示例：运行 Arduino Blink 示例。

深潜

代码

/* (1) Add the Azure RTOS ThreadX library header file. */
#include 

/* (3) Add the thread stack memory and thread control block. */
#define THREAD_STACK_SIZE 512

TX_THREAD thread_0;
UCHAR thread_0_stack[THREAD_STACK_SIZE];

/* (4) Define the thread's entry function. */
void thread_0_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  while(1)
  {
    /* (5) Move the LED blink logic into the thread's entry function. */
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);            /* Turn the LED on.   */
    tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND); /* Wait for a second. */
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);             /* turn the LED off.  */
    tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND); /* wait for a second. */  
  }
}

/* (6) Add the application's environment setup function. */
void tx_application_define(void *first_unused_memory)
{
  (VOID)first_unused_memory;

  /* Put system definition stuff in here, e.g. thread creates and other assorted
     create information. */

  /* (7) Create the thread. */
  tx_thread_create(&thread_0, "thread 0", thread_0_entry, 0,  
    thread_0_stack, THREAD_STACK_SIZE, 
    1, 1, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);
}

/* The setup function runs once when you press reset or power the board. */
void setup() 
{
  /* Initialize digital pin LED_BUILTIN as an output. */
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  /* (2) Add the kernel entry function. */
  tx_kernel_enter();
} 

void loop() 
{
  /* (5) Move the LED blink logic into the thread's entry function. */
  /* This will never be called. */
}

注意：Arduino Blink 格式和单行样式注释//已转换为 ThreadX 格式和多行样式/* */。

到底是怎么回事？

setup()上面的代码演示了如何用Azure RTOS ThreadX替换 Arduino 裸机单线程方法。loop()

之前的裸机代码流程是：

setup()-> loop()-> 无限循环闪烁逻辑。

ThreadX 新的代码流程是：

setup()-> tx_kernel_enter()-> tx_application_define()-> thread_0_entry()-> 无限循环 Blink 逻辑。

尽管这种方法仍然保持相同的单线程功能，但现在可以根据需要添加额外的线程。第 3 部分将演示如何执行此操作。

第 3 部分：通过 ThreadX 将多线程应用到 Blink 示例

在本节中，我们将使用单线程 ThreadX Blink 代码创建一个多线程版本，该版本也可以读取串行输入。

预计时间： 15 分钟

步骤 1.保存示例。

导航到文件 > 另存为。
将草图另存为'Blink_SerialRead_ThreadX' 。

步骤 2. (8) 添加线程堆栈内存和线程控制块以再增加一个线程。

/* (3)(8) Add the thread stack memory and thread control block. */
#define THREAD_STACK_SIZE 512

TX_THREAD thread_0;
TX_THREAD thread_1;

UCHAR thread_0_stack[THREAD_STACK_SIZE];
UCHAR thread_1_stack[THREAD_STACK_SIZE];

到底是怎么回事？

此操作模仿第 2 部分：第 4 步。对于要添加的每个线程，您需要分配其堆栈内存并声明其线程控制块。 TX_THREAD

Step 3. (9) 定义新线程的入口函数thread_1_entry()。将函数定义放在之后thread_0_entry()和之前tx_application_define()。

/* (9) Define the thread's entry function. */
void thread_1_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  while(1)
  {
    /* Add thread logic to execute here. */
  }
}

到底是怎么回事？

此操作模仿第 2 部分：第 5 步。每个线程都需要一个用户定义的入口函数来执行线程逻辑。

Step 4. (10) 将串行读取逻辑添加到线程的入口函数中。

void thread_1_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  /* (10) Add serial read logic to the thread's entry function. */
  Serial.begin(115200);
  
  while(1)
  {
    if (Serial.available() > 0)
    {
      char byte_read = Serial.read();
      Serial.print(byte_read);
    }
  }
}

到底是怎么回事？

串行读取逻辑从串行输入接收字节并将它们打印到串行监视器。请注意，此逻辑放在中while(1)，但串行初始化Serial.begin()函数没有。因为初始化只需要发生一次，所以放在前面while(1)。或者，它可以放在setup()之前tx_kernel_enter()。

第 5 步。(11) 使用 . 创建新线程tx_thread_create()。在tx_application_define()创建thread_0.

void tx_application_define(void *first_unused_memory)
{
  (VOID)first_unused_memory;

  /* Put system definition stuff in here, e.g. thread creates and other assorted
     create information.  */

  /* (7)(11) Create the thread. */
  tx_thread_create(&thread_0, "thread 0", thread_0_entry, 0,  
    thread_0_stack, THREAD_STACK_SIZE, 
    1, 1, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);

  tx_thread_create(&thread_1, "thread 1", thread_1_entry, 0,  
    thread_1_stack, THREAD_STACK_SIZE, 
    4, 4, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);
}

到底是怎么回事？

此操作模仿第 2部分：第8步。在所使用的论点中发现了差异。注意命名如何改变以反映： thread_1

&thread_1: 指向定义的线程控制块的指针。
"thread_1": 线程名称（即，指向名称的指针）。
thread_1_entry：用户自定义线程入口函数。
thread_1_stack: 指向线程堆栈开始的指针。

另一个改变的参数集是优先级和抢占阈值：

4: 线程的优先级。
4：线程的抢占阈值。

因为4的优先级低于1 ，thread_0所以将首先执行，并且只有在它挂起时（tx_thread_sleep()），调度程序才会执行行中的下一个线程（thread_1）。一旦thread_0完成暂停，调度程序将抢占thread_1并返回执行thread_0。

保持不变的论点是：

0: 线程的入口输入。
THREAD_STACK_SIZE：线程堆栈的大小（以字节为单位）。
TX_NO_TIME_SLICE: 时间片被禁用。
TX_AUTO_START: 线程自动启动。

步骤 6.使用 Azure RTOS ThreadX 运行多线程 Blink 示例。

按照第 2 步。连接您的设备和第 3 步。运行第 1 部分中的示例：运行 Arduino Blink 示例。
观察 LED 每 1 秒闪烁一次。
导航到工具 > SerialMonitor 。
输入你好闪烁！进入串行输入线。

serialmonitor_helloblinkyinput_xt1mGvNiTf.png?auto=compress%2Cformat&w=740&h=555&fit=max

选择“发送” 。

serialmonitor_helloblinkyoutput_IWczf9sBSJ.png?auto=compress%2Cformat&w=740&h=555&fit=max

深潜

代码

/* (1) Add the Azure RTOS ThreadX library header file. */
#include 

/* (3)(8) Add the thread stack memory and thread control block. */
#define THREAD_STACK_SIZE 512

TX_THREAD thread_0;
TX_THREAD thread_1;

UCHAR thread_0_stack[THREAD_STACK_SIZE];
UCHAR thread_1_stack[THREAD_STACK_SIZE];

/* (4) Define the thread's entry function. */
void thread_0_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  while(1)
  {
    /* (5) Move the LED blink logic into the thread's entry function. */
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);            /* Turn the LED on.   */
    tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND); /* Wait for a second. */
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);             /* Turn the LED off.  */
    tx_thread_sleep(TX_TIMER_TICKS_PER_SECOND); /* Wait for a second. */  
  }
}

/* (9) Define the thread's entry function. */
void thread_1_entry(ULONG thread_input)
{
  (VOID)thread_input;

  /* (10) Add serial read logic to the thread's entry function. */
  Serial.begin(115200);
  
  while(1)
  {
    if (Serial.available() > 0)
    {
      char byte_read = Serial.read();
      Serial.print(byte_read);
    }
  }
}

/* (6) Add the application's environment setup function. */
void tx_application_define(void *first_unused_memory)
{
  (VOID)first_unused_memory;

  /* Put system definition stuff in here, e.g. thread creates and other assorted
     create information. */

  /* (7)(11) Create the thread. */
  tx_thread_create(&thread_0, "thread 0", thread_0_entry, 0,  
    thread_0_stack, THREAD_STACK_SIZE, 
    1, 1, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);

  tx_thread_create(&thread_1, "thread 1", thread_1_entry, 0,  
    thread_1_stack, THREAD_STACK_SIZE, 
    4, 4, TX_NO_TIME_SLICE, TX_AUTO_START);
}

/* The setup function runs once when you press reset or power the board. */
void setup()
{
  /* Initialize digital pin LED_BUILTIN as an output. */
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

  /* (2) Add the kernel entry function. */
  tx_kernel_enter();
} 

void loop()
{
  /* (5) Move the LED blink logic into the thread's entry function. */
  /* This will never be called. */
}