Linux上应用竟然可以轻松的移植到RTOS上

2021-07-11 00:45:26

今天讲的主题是 “如何轻松地移植Linux应用到AliOS Things上”

 

1、前言

近些年，大量的智能设备已经进入人们的生活， 如智能音箱，各种支付设备，大街小巷上各种大小的广告机等。这些设备中大多还是采用Linux，带屏的设备则大多采用Android，导致他们必须采用较高成本的硬件。

Linux上应用竟然可以轻松的移植到RTOS上

AliOS Things是阿里云IoT研发的应用于物联网智能设备的嵌入式实时操作系统，是HaaS100搭载的操作系统。目前AliOS Things + 小程序框架已经可以替代Linux甚至Android，大大降低设备的成本。可是Linux（包括Android）上的成熟稳定的框架，尤其是音视频处理的框架，图形渲染等，如果可以拿来使用，再加以适配优化，不需要重复造*，岂不美哉。

 

那如何把Unix/Linux这些优秀的框架轻松地移植到AliOS Things上呢？支持POSIX就是实现这个目标的一把利器。

 

2、POSIX是什么

POSIX（Portable Operating System Interface）是IEEE组织为了维护应用在不同操作系统之间的兼容性而制定的标准。 主要包括API，Shell和Utility等一整套应用运行环境。广泛应用于UNIX/LINUX操作系统，和一些嵌入式操作系统中（如Zephyr, VxWorks, QNX, Fuchsia，FreeRTOS，RT-Thread，AliOS Things）。

 

POSIX标准也被称为IEEE 1003，ISO/IEC 9945，目前标准的开发者是Austin Group，它是IEEE, Open Group, ISO/IEC的联合组织，目前POSIX标准的最新版本是POSIX.1-2017。 刚开始时POSIX标准（IEEE 1003）又分为不同的子集，其中还处于有效状态的有IEEE 1003.13。 IEEE 1003.13是针对嵌入式领域制定的标准，根据范围的大小又分为4个不同的Profile，PSE51, PSE52, PSE53和PSE54，其关系如下图。

Linux上应用竟然可以轻松的移植到RTOS上

 

3、为什么需要POSIX

AliOS Things作为一个物联网领域的嵌入式实时操作系统为什么要支持POSIX标准呢？除了解决前言引入的问题外，还有没有其他的目的呢？本章节将进行一个全面的阐述。

 

3.1、POSIX解决的核心问题

软件生态

软件生态是一个OS的生存核心，但建设一个OS的软件生态又不能急于求成， 需要经过多年的积累沉淀。 显然AliOS Things的生态还不成熟，而Linux的生态则经过了几十年的沉淀，变得非常强大。支持POSIX则可以

  • 兼容Unix/Linux软件生态。
  • 兼容支持POSIX标准的嵌入式系统（如FreeRTOS）的软件生态。

 

标准

  • API模型由国际权威组织定义，且被广泛使用验证过，成熟稳定。

 

易用

  • API被广大开发者所熟悉，降低开发者学习成本。
  • 每个API都有标准化的文档详细说明，方便查询使用。
  • 为AliOS Things内部组件提供标准接口，方便使用和支持多平台如移植到Linux。

 

3.2、竞品分析

其实不只有我们这么想，让我们一起看看业界的嵌入式实时操作系统是否支持POSIX标准。

 

VxWorks

作为比较老牌的嵌入式实时操作系统，VxWorks被广泛应用于多个领域，如航空航天，工业控制等对实时性要求很高的领域， 它也是非常重视对POSIX标准的支持，其全部支持了PSE52标准 + BSD Socket。并通过官方的PSE52认证。

 

QNX

作为被广泛应用于汽车领域的嵌入式实时操作系统，同时也是比较成功的商用微内核操作系统，QNX也是比较重视对POSIX标准的支持，其全部支持了PSE52标准 + BSD Socket。

 

Fuchsia

作为Google全新设计研发的微内核操作系统， Fuchsia也是支持POSIX标准的。

FreeRTOS

FreeRTOS虽然主要应用于资源比较受限的MCU设备， 其也实现部分PSE52范围内的API。

 

RT-Thread

RT-Thread主要应用于物联网领域的智能设备， 其也比较重视对POSIX标准的支持，实现PSE52范围内的大部分API。

 

AliOS Things支持POSIX的长远目标是实现POSIX.1的最新版本，如目前是POSIX.1-2017，它共有1191个API，数量是非常大的，但是有很多并不是经常使用的API，因此短期目标是实现PSE52 + Networking标准的API + 项目中需要的API。

 

4、POSIX的设计与实现

POSIX作为内核与应用的接口层， 涉及到内核的多个方面。 下面仅以POSIX线程和POSIX条件变量为例介绍其设计与实现，POSIX组件的代码位于core/osal/posix/, 头文件位于include/posix/。

 

4.1、POSIX线程

关键数据结构

typedef struct pthread_tcb {

    aos_task_t task;    /* The rhino task handle. */

    unsigned int magic; /* The pthread tcb memory magic number. */

    void *(*thread_entry)(void *para); /* The start routine of the thread. */

    void *thread_para;   /* The parameter of start routine. */

    aos_sem_t join_sem;  /* The semaphore for pthread_join. */

    pthread_cleanup_t *cleanup; /* The registered cleanup function for the thread.*/

    void *environ;

    void **tls;

    void  *return_value; /* The thread's return value. */

    pthread_attr_t  attr; /* The thread's attribute. */

    char thread_name[PTHREAD_NAME_MAX_LEN + 1];  /* The thread's name. */

} pthread_tcb_t;

_pthread_tcb_t是POSIX线程内部的核心数据结构，保存着POSIX线程的关键数据，与内核task的tcb结构相对应，且通过tid相互关联。POSIX线程的关键数据类型pthread_t会关联到这个数据结构上。

  • task 内核rhino的任务句柄。
  • magic 是POSIX线程的魔术字，以区别于使用AliOS Things原生的AOS API创建的线程。
  • thread_entry 新创建线程的执行入口函数的指针。
  • thread_para 新创建线程的执行入口函数的参数结构指针。
  • join_sem 实现线程的JOINABLE的信号量，线程退出时自身不释放ptcb资源，由其他线程调用pthread_join获取返回值，并释放资源。
  • cleanup 线程在退出时要执行的清理函数指针的链表。
  • environ 线程运行的环境变量。
  • tls  存放线程私有数据。
  • return_value 存放POSIX线程的返回值的指针。
  • attr 线程属性，为POSIX线程设置属性以更细粒度地控制线程的行为。如线程的栈地址，栈大小，线程的调度策略，调度参数等。
  • thread_name 线程名字

 

POSIX线程的创建与销毁

使用pthread_create创建POSIX线程。

使用pthread_exit销毁一个POSIX线程， 或者从一个线程的入口函数返回，也会走到线程的销毁流程。

下面流程图为保持逻辑清晰，略去了很多实现细节如异常处理等。

Linux上应用竟然可以轻松的移植到RTOS上

 

 

4.2、POSIX条件变量

POSIX条件变量的标准定义：https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799/

关键数据结构

typedef struct pthread_cond {

    uint8_t flag;

    int     waiting;

    int     signals;

    void    *lock;

    void    *wait_sem;

    void    *wait_done;

    pthread_condattr_t attr;

} pthread_cond_t;

pthread_cond_t是实现POSIX条件变量的核心数据结构。

  • flag 一些内部的标记如是否为动态初始化。
  • lock 是保护内部数据的一把mutex锁。
  • waiting 等待这个条件变量的线程数。
  • signals 已发送信号还未收到确认的数目。
  • wait_sem 线程等待的信号量，底层内核的信号量原语。
  • wait_done 用于发送线程与等待线程之间握手确认的信号量， 底层内核的信号量原语。
  • attr 记录pthread条件变量的属性，比如条件变量用到的时钟clock。

 

POSIX条件变量的处理

Linux上应用竟然可以轻松的移植到RTOS上

POSIX 条件变量不仅支持触发单个等待的线程，同时还支持广播（pthread_cond_broadcast），触发多个等待的线程。

 

4.3、实现结果如何

AliOS Things 支持了pthread，semaphore, message queue, timer, fs等多个模块的丰富的API，开发者可以利用这些POSIX API，只需要简单地修改，甚至无需修改，就可以移植Unix/Linux的应用到AliOS Things上。再结合HaaS100的开发板，开发者可以更快速地构建智能设备所需的软件和硬件。

 

4.4、动手试试

下面动手编写一个简单的使用POSIX PTHREAD API的Linux应用，保存为pthread_test.c



    

  1. 

    

    #include <stdio.h>
    

    2. 

  2. 

    

    

    3. 

  3. 

    

    #include <unistd.h>
    

    4. 

  4. 

    

    

    5. 

  5. 

    

    #include <pthread.h>
    

    6. 

  6. 

    

    

    7. 

  7. 

    

    

    8. 

  8. 

    

    

    9. 

  9. 

    

    
static volatile int count = 1;
    

    10. 

  10. 

    

    

    11. 

  11. 

    

    
pthread_mutex_t count_lock;
    

    12. 

  12. 

    

    

    13. 

  13. 

    

    

    14. 

  14. 

    

    

    15. 

  15. 

    

    void* increase_count(void *arg)
    

    16. 

  16. 

    

    

    17. 

  17. 

    

    {
    

    18. 

  18. 

    

    

    19. 

  19. 

    

        while (1) {
    

    20. 

  20. 

    

    

    21. 

  21. 

    

            sleep(1);
    

    22. 

  22. 

    

    

    23. 

  23. 

    

            pthread_mutex_lock(&count_lock);
    

    24. 

  24. 

    

    

    25. 

  25. 

    

            count += 10;
    

    26. 

  26. 

    

    

    27. 

  27. 

    

            printf("In new thread: count:%d\n", count);
    

    28. 

  28. 

    

    

    29. 

  29. 

    

            pthread_mutex_unlock(&count_lock);
    

    30. 

  30. 

    

    

    31. 

  31. 

    

        }
    

    32. 

  32. 

    

    

    33. 

  33. 

    

    }
    

    34. 

  34. 

    

    

    35. 

  35. 

    

    

    36. 

  36. 

    

    

    37. 

  37. 

    

    

    38. 

  38. 

    

    

    39. 

  39. 

    

    int main(int argc, char* argv[])
    

    40. 

  40. 

    

    

    41. 

  41. 

    

    {
    

    42. 

  42. 

    

    

    43. 

  43. 

    

        int ret = 0;
    

    44. 

  44. 

    

    

    45. 

  45. 

    

        pthread_t new_thread;
    

    46. 

  46. 

    

    

    47. 

  47. 

    

    

    48. 

  48. 

    

    

    49. 

  49. 

    

        pthread_mutex_init(&count_lock, NULL);
    

    50. 

  50. 

    

    

    51. 

  51. 

    

    

    52. 

  52. 

    

    

    53. 

  53. 

    

        ret = pthread_create(&new_thread, NULL, increase_count, NULL);
    

    54. 

  54. 

    

    

    55. 

  55. 

    

        if (ret != 0) {
    

    56. 

  56. 

    

    

    57. 

  57. 

    

            printf("Error:%s:%d:ret:%d\n", __FILE__, __LINE__, ret);
    

    58. 

  58. 

    

    

    59. 

  59. 

    

            return -1;
    

    60. 

  60. 

    

    

    61. 

  61. 

    

        }
    

    62. 

  62. 

    

    

    63. 

  63. 

    

    

    64. 

  64. 

    

    

    65. 

  65. 

    

        while(1) {
    

    66. 

  66. 

    

    

    67. 

  67. 

    

            sleep(1);
    

    68. 

  68. 

    

    

    69. 

  69. 

    

            pthread_mutex_lock(&count_lock);
    

    70. 

  70. 

    

    

    71. 

  71. 

    

            count++;
    

    72. 

  72. 

    

    

    73. 

  73. 

    

            printf("In main thread: count:%d\n", count);
    

    74. 

  74. 

    

    

    75. 

  75. 

    

            pthread_mutex_unlock(&count_lock);
    

    76. 

  76. 

    

    

    77. 

  77. 

    

        }
    

    78. 

  78. 

    

    

    79. 

  79. 

    

       
    

    80. 

  80. 

    

    

    81. 

  81. 

    

        return 0;
    

    82. 

  82. 

    

    

    83. 

  83. 

    

    }
    

    84. 

  84. 

    

    

    85. 

  85. 

    

    

    86. 

  86. 

    

    

    87. 

 
 
在Linux上编译
 



 
 



gcc pthread_test.c -o pthread_test -lpthread

 
 
 
 



运行结果如下：


 
 


    

  1. 

    

    $ ./pthread_test
    

    2. 

  2. 

    

    

    3. 

  3. 

    

    In main thread: count:2

    

    4. 

  4. 

    

    

    5. 

  5. 

    

    In new thread: count:12

    

    6. 

  6. 

    

    

    7. 

  7. 

    

    In main thread: count:13

    

    8. 

  8. 

    

    

    9. 

  9. 

    

    In new thread: count:23

    

    10. 

  10. 

    

    

    11. 

  11. 

    

    In main thread: count:24

    

    12. 

  12. 

    

    

    13. 

  13. 

    

    In new thread: count:34

    

    14. 

  14. 

    

    

    15. 

  15. 

    

    In main thread: count:35

    

    16. 

  16. 

    

    

    17. 

  17. 

    

    In new thread: count:45

    

    18. 

  18. 

    

    

    19. 

  19. 

    

    In main thread: count:46

    

    20. 

  20. 

    

    

    21. 

  21. 

    

    In new thread: count:56

    

    22. 

  22. 

    

    

    23. 

  23. 

    

    In main thread: count:57

    

    24. 

  24. 

    

    

    25. 

  25. 

    

    In new thread: count:67

    

    26. 

  26. 

    

    

    27. 

  27. 

    

    In main thread: count:68

    

    28. 

  28. 

    

    

    29. 

  29. 

    

    In new thread: count:78

    

    30. 

  30. 

    

    

    31. 

  31. 

    

    In main thread: count:79

    

    32. 

  32. 

    

    

    33. 

  33. 

    

    In new thread: count:89

    

    34. 

  34. 

    

    

    35. 

  35. 

    

    In main thread: count:90

    

    36. 

  36. 

    

    

    37. 

  37. 

    

    In new thread: count:100

    

    38. 

 
 
 
 



把上面的pthread_test.c 移植到AliOS Things上，改写application/example/helloworld_demo 这个demo应用。 把pthread_test.c 的内容替换application/example/helloworld_demo/appdemo.c的全部内容，并做如下2个简单的修改。


 
 


    

  1. 

    

    $ diff -ru pthread_test.c solutions/helloworld_demo/helloworld.c
    

    2. 

  2. 

    

    

    3. 

  3. 

    

    --- pthread_test.c 2021-06-17 12:01:56.638675133 +0800
    

    4. 

  4. 

    

    

    5. 

  5. 

    

    +++ solutions/helloworld_demo/helloworld.c    2021-06-17 12:04:58.479941329 +0800
    

    6. 

  6. 

    

    

    7. 

  7. 

    

    @@ -17,7 +17,7 @@
    

    8. 

  8. 

    

    

    9. 

  9. 

    

     }
    

    10. 

  10. 

    

    

    11. 

  11. 

    

    

    12. 

  12. 

    

    

    13. 

  13. 

    

    

    14. 

  14. 

    

    

    15. 

  15. 

    

    -int main(int argc, char* argv[])
    

    16. 

  16. 

    

    

    17. 

  17. 

    

    +int application_start(int argc, char* argv[])
    

    18. 

  18. 

    

    

    19. 

  19. 

    

     {
    

    20. 

  20. 

    

    

    21. 

  21. 

    

         int ret = 0;
    

    22. 

  22. 

    

    

    23. 

  23. 

    

         pthread_t new_thread;
    

    24. 

 
 
 
 



由上可知，AliOS Things的应用入口是application_start， 不是main， 上面的Linux应用，只需要改动一行就可以跑到AliOS Things上。


 


在VSCODE IDE利用alios-studio插件，点击编译按钮，编译hellworld_demo， 详细步骤可以参考 AliOS Things的编译步骤 。


 


下载烧录并启动，log如下， 与Linux运行的结果一致。


 
 
  
 
 


    

  1. 

    

               Welcome to AliOS Things          
    

    2. 

  2. 

    

    

    3. 

  3. 

    

         1592/main_task | sys_init aos_components_init done
    

    4. 

  4. 

    

    

    5. 

  5. 

    

         1592/main_task |         mesh has been opened       
    

    6. 

  6. 

    

    

    7. 

  7. 

    

         1986/mcu_audio | mcu_audio_main exit
    

    8. 

  8. 

    

    

    9. 

  9. 

    

    [Jan 01 00:00:01.491]<I>ULOG-test sys_init aos_components_init done
    

    10. 

  10. 

    

    

    11. 

  11. 

    

    

    12. 

  12. 

    

    

    13. 

  13. 

    

    In main thread: count:2

    

    14. 

  14. 

    

    

    15. 

  15. 

    

    In new thread: count:12

    

    16. 

  16. 

    

    

    17. 

  17. 

    

    In main thread: count:13

    

    18. 

  18. 

    

    

    19. 

  19. 

    

    In new thread: count:23

    

    20. 

  20. 

    

    

    21. 

  21. 

    

    In main thread: count:24

    

    22. 

  22. 

    

    

    23. 

  23. 

    

    In new thread: count:34

    

    24. 

  24. 

    

    

    25. 

  25. 

    

    In main thread: count:35

    

    26. 

  26. 

    

    

    27. 

  27. 

    

    In new thread: count:45

    

    28. 

  28. 

    

    

    29. 

  29. 

    

    In main thread: count:46

    

    30. 

  30. 

    

    

    31. 

  31. 

    

    In new thread: count:56

    

    32. 

  32. 

    

    

    33. 

  33. 

    

    In main thread: count:57

    

    34. 

  34. 

    

    

    35. 

  35. 

    

    In new thread: count:67

    

    36. 

  36. 

    

    

    37. 

  37. 

    

    In main thread: count:68

    

    38. 

  38. 

    

    

    39. 

  39. 

    

    In new thread: count:78

    

    40. 

  40. 

    

    

    41. 

  41. 

    

    In main thread: count:79

    

    42. 

  42. 

    

    

    43. 

  43. 

    

    In new thread: count:89

    

    44. 

  44. 

    

    

    45. 

  45. 

    

    In main thread: count:90

    

    46. 

  46. 

    

    

    47. 

  47. 

    

    In new thread: count:100

    

    48. 

 
 
 
 




参考



POSIX.1-2017


AliOS Things


 



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