全面解析腾讯最新开源 loT 操作系统 TencentOS tiny
近期腾讯低调地在github上开源了自己的lot操作tencentos tiny，截至发稿，已经累积了2000多个star，引发了不小的关注。由于笔者曾经做过csdn的嵌入式大版当过很长时间的版主，所以第一时间到https://github.com/tencent/tencentos-tiny下载了全部的代码，第一时间为大家带来解读。
tencentos tiny整体架构
tencentos tiny 提供精简的 rtos内核，其架构图如下：
目前看其内核部分已经开发完成，并已经完全开源。从目前tencentos tiny的情况看，腾讯入局物联网的相关链条已经规划完整：
布署了tencentos tiny的的嵌入式开发板也已经制造出来，所以看来鹅厂在物联网时代对于入口的争夺也不会有丝毫的放松。
下面我将对于tencentos tiny代码中内核及lot协议部分进行相关解读。
tencentos tiny内核信号量与互斥锁解读
tencentos tiny的官宣文档中对于其内核的描述如下：tencentos tiny 实时内核包括任务管理、实时调度、时间管理、中断管理、内存管理、异常处理、软件定时器、链表、消息队列、信号量、互斥锁、事件标志等模块。其中定时器、消息队列等在之前都有过相应介绍，这里就为大家来解读一下信号量与互斥锁的相关代码。信号量与互斥锁的异同：1.信号量与互斥锁最根本的不同点在于：互斥锁的取值只能是0或者1，而信号量的取值范围则可以定义。2.信号量的作用域可以进程也可以是线程，而互斥锁只能是线程。简单来说互斥锁可以实现线程对于唯一资源的使用保护，而信号量则可以实现多线程或者进程间数量有限资源的使用保护。从某种意义上讲互斥锁是只能一个资源可用的信号量。关于tencentos tiny互斥体的实现，首先来看其数据结构具体解读如下：
__api__k_err_ttos_mutex_pend_timed(k_mutex_t*mutex,k_tick_ttimeout) { tos_cpu_cpsr_alloc(); k_err_terr; tos_ptr_sanity_check(mutex); tos_in_irq_check(); #iftos_cfg_object_verify_en>0u if(!pend_object_verify(&mutex->pend_obj,pend_type_mutex)){ returnk_err_obj_invalid; } #endif tos_cpu_int_disable();//将cpu锁住，防止其它进程进入 if(mutex->pend_nesting==(k_nesting_t)0u){//没有等待 mutex_fresh_owner_mark(mutex,k_curr_task);//将此mutex的owner置为当前task tos_cpu_int_enable();//将cpu解锁 returnk_err_none;//返回成功 } if(knl_is_self(mutex->owner)){ if(mutex->pend_nesting==(k_nesting_t)-1){//等待数量如果超限则返回overflow tos_cpu_int_enable(); returnk_err_mutex_nesting_overflow; } ++mutex->pend_nesting; tos_cpu_int_enable(); returnk_err_mutex_nesting; } if(timeout==tos_time_nowait){//如果锁已经被占用超时时间为不等待，则直接返回 tos_cpu_int_enable(); returnk_err_pend_nowait; } if(knl_is_sched_locked()){//如果任务被锁定，则直接返回 tos_cpu_int_enable(); returnk_err_pend_sched_locked; } if(mutex->owner->prio>k_curr_task->prio){ tos_task_prio_change(mutex->owner,k_curr_task->prio);//如果owner的优先级更低，也就是其数值更大，则调整优先级 } pend_task_block(k_curr_task,&mutex->pend_obj,timeout);//阻塞pending的任务 tos_cpu_int_enable();//解锁cpu总线 knl_sched();//解锁任务高度 err=pend_state2errno(k_curr_task->pend_state); if(err==k_err_none){//如果没有错误 tos_cpu_int_disable(); mutex_new_owner_mark(mutex,k_curr_task);//刷新mutex当前的owner tos_cpu_int_enable(); } returnerr; }
tencentos tiny信号量的实现
首先来看k_sem_st的结构体：
__static__k_err_tsem_do_post(k_sem_t*sem,opt_post_topt) { tos_cpu_cpsr_alloc();//为cpu的cpsr进行预分配为后面恢复做准备 tos_ptr_sanity_check(sem); #iftos_cfg_object_verify_en>0u if(!pend_object_verify(&sem->pend_obj,pend_type_sem)){ returnk_err_obj_invalid; } #endif tos_cpu_int_disable();//cpu锁定防止其它进程入 if(sem->count==(k_sem_cnt_t)-1){//若资源数量为-1则返回超限 tos_cpu_int_enable(); returnk_err_sem_overflow; } if(pend_is_nopending(&sem->pend_obj)){//如果无pending的情况则直接返回 ++sem->count; tos_cpu_int_enable(); returnk_err_none; } pend_wakeup(&sem->pend_obj,pend_state_post,opt);//唤醒pending的进程 tos_cpu_int_enable();//恢复cpu knl_sched();//恢复任务调度 returnk_err_none; }
所以从上述解读相信各位读者也能看到，tencentos tiny的内核的确是被精心修减过，针对物联网场景做了相应的优化，去掉了一些没有必要的功能代码。
tencentos tiny对于mqtt的实现
在tencentos tiny的官宣中对于iot 协议栈介绍如下：tencentos tiny 提供 lwip、at adapter、sal 层，支持不同的网络硬件，例如以太网、串口 wi-fi、gprs、nb-iot、4g等通信模块。tcp/ip 网络协议栈上提供常用的物联网协议栈，例如 coap、mqtt，支撑终端业务快速接入腾讯云。其中mqtt可以算是物联网时代比较通用的基于ip网络的协议了，它基于发布/订阅消息模式，提供一对多的消息分发有三种消息传递服务质量。1.最多一次，也就是消息发布者只会发布一次消息，不管对端是否收到也不会发布第二次。一般用于环境传感器的数据读取，因为一般环境传感器读取的密度很高，丢失几个数据并没有什么大问题。·2.确保到达，这个一般用在数据非常重要的情况，发送端将不断重复发送直到对端响应收到。但这样可能出现数据重复。3.确保恰好一次送达，确保消息正好到达一次。这个级别用于计费系统，重复或丢失的数据可能导致一定的损失。由于mqtt适合在低带宽、高延时网络运行的特性所以在特联网中的应用很多。不过呢腾讯针对此部分的实现则是完全拷贝于eclipse paho项目个人制作的原理动画如下图：
但是考虑到物联网终端其实仅需要mqtt的发布方即可，订阅方的代码其实没有太大必要保留，而且从目前发布支持的场景来看，mqtt一些通讯质量模式其实用处也不多，不过在这方面tencentos tiny是没有做任何优化与裁减的。所以这应该也可以看做是tencentos tiny的一个不足吧。
后记
随着移动互联网+智能硬件的不断发展，iot的新业态大门徐徐开启，这里不但有众多互联网企业，也有传统家电甚至金融企业不断入局。但是与传统互联网软件+硬件的模式不同，物联网除了软、硬件外还多了一个侧面-场景，能将软、硬件及场景整合化一的公司才能笑到最后。就像html整合了互联网一样，mqtt等lot协议会是整合全链条的利器，所以最后笔者也呼吁各方除了重视操作系统内核外也需要大力参与lot通讯协议，尤其注重标准制订，这样才能跟上lot的时代潮流。
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tencentos tiny整体架构
tencentos tiny 提供精简的 rtos内核，其架构图如下：
目前看其内核部分已经开发完成，并已经完全开源。从目前tencentos tiny的情况看，腾讯入局物联网的相关链条已经规划完整：
布署了tencentos tiny的的嵌入式开发板也已经制造出来，所以看来鹅厂在物联网时代对于入口的争夺也不会有丝毫的放松。
下面我将对于tencentos tiny代码中内核及lot协议部分进行相关解读。
tencentos tiny内核信号量与互斥锁解读
tencentos tiny的官宣文档中对于其内核的描述如下：tencentos tiny 实时内核包括任务管理、实时调度、时间管理、中断管理、内存管理、异常处理、软件定时器、链表、消息队列、信号量、互斥锁、事件标志等模块。其中定时器、消息队列等在之前都有过相应介绍，这里就为大家来解读一下信号量与互斥锁的相关代码。信号量与互斥锁的异同：1.信号量与互斥锁最根本的不同点在于：互斥锁的取值只能是0或者1，而信号量的取值范围则可以定义。2.信号量的作用域可以进程也可以是线程，而互斥锁只能是线程。简单来说互斥锁可以实现线程对于唯一资源的使用保护，而信号量则可以实现多线程或者进程间数量有限资源的使用保护。从某种意义上讲互斥锁是只能一个资源可用的信号量。关于tencentos tiny互斥体的实现，首先来看其数据结构具体解读如下：
__api__k_err_ttos_mutex_pend_timed(k_mutex_t*mutex,k_tick_ttimeout) { tos_cpu_cpsr_alloc(); k_err_terr; tos_ptr_sanity_check(mutex); tos_in_irq_check(); #iftos_cfg_object_verify_en>0u if(!pend_object_verify(&mutex->pend_obj,pend_type_mutex)){ returnk_err_obj_invalid; } #endif tos_cpu_int_disable();//将cpu锁住，防止其它进程进入 if(mutex->pend_nesting==(k_nesting_t)0u){//没有等待 mutex_fresh_owner_mark(mutex,k_curr_task);//将此mutex的owner置为当前task tos_cpu_int_enable();//将cpu解锁 returnk_err_none;//返回成功 } if(knl_is_self(mutex->owner)){ if(mutex->pend_nesting==(k_nesting_t)-1){//等待数量如果超限则返回overflow tos_cpu_int_enable(); returnk_err_mutex_nesting_overflow; } ++mutex->pend_nesting; tos_cpu_int_enable(); returnk_err_mutex_nesting; } if(timeout==tos_time_nowait){//如果锁已经被占用超时时间为不等待，则直接返回 tos_cpu_int_enable(); returnk_err_pend_nowait; } if(knl_is_sched_locked()){//如果任务被锁定，则直接返回 tos_cpu_int_enable(); returnk_err_pend_sched_locked; } if(mutex->owner->prio>k_curr_task->prio){ tos_task_prio_change(mutex->owner,k_curr_task->prio);//如果owner的优先级更低，也就是其数值更大，则调整优先级 } pend_task_block(k_curr_task,&mutex->pend_obj,timeout);//阻塞pending的任务 tos_cpu_int_enable();//解锁cpu总线 knl_sched();//解锁任务高度 err=pend_state2errno(k_curr_task->pend_state); if(err==k_err_none){//如果没有错误 tos_cpu_int_disable(); mutex_new_owner_mark(mutex,k_curr_task);//刷新mutex当前的owner tos_cpu_int_enable(); } returnerr; }
tencentos tiny信号量的实现
首先来看k_sem_st的结构体：
__static__k_err_tsem_do_post(k_sem_t*sem,opt_post_topt) { tos_cpu_cpsr_alloc();//为cpu的cpsr进行预分配为后面恢复做准备 tos_ptr_sanity_check(sem); #iftos_cfg_object_verify_en>0u if(!pend_object_verify(&sem->pend_obj,pend_type_sem)){ returnk_err_obj_invalid; } #endif tos_cpu_int_disable();//cpu锁定防止其它进程入 if(sem->count==(k_sem_cnt_t)-1){//若资源数量为-1则返回超限 tos_cpu_int_enable(); returnk_err_sem_overflow; } if(pend_is_nopending(&sem->pend_obj)){//如果无pending的情况则直接返回 ++sem->count; tos_cpu_int_enable(); returnk_err_none; } pend_wakeup(&sem->pend_obj,pend_state_post,opt);//唤醒pending的进程 tos_cpu_int_enable();//恢复cpu knl_sched();//恢复任务调度 returnk_err_none; }
所以从上述解读相信各位读者也能看到，tencentos tiny的内核的确是被精心修减过，针对物联网场景做了相应的优化，去掉了一些没有必要的功能代码。
tencentos tiny对于mqtt的实现
在tencentos tiny的官宣中对于iot 协议栈介绍如下：tencentos tiny 提供 lwip、at adapter、sal 层，支持不同的网络硬件，例如以太网、串口 wi-fi、gprs、nb-iot、4g等通信模块。tcp/ip 网络协议栈上提供常用的物联网协议栈，例如 coap、mqtt，支撑终端业务快速接入腾讯云。其中mqtt可以算是物联网时代比较通用的基于ip网络的协议了，它基于发布/订阅消息模式，提供一对多的消息分发有三种消息传递服务质量。1.最多一次，也就是消息发布者只会发布一次消息，不管对端是否收到也不会发布第二次。一般用于环境传感器的数据读取，因为一般环境传感器读取的密度很高，丢失几个数据并没有什么大问题。·2.确保到达，这个一般用在数据非常重要的情况，发送端将不断重复发送直到对端响应收到。但这样可能出现数据重复。3.确保恰好一次送达，确保消息正好到达一次。这个级别用于计费系统，重复或丢失的数据可能导致一定的损失。由于mqtt适合在低带宽、高延时网络运行的特性所以在特联网中的应用很多。不过呢腾讯针对此部分的实现则是完全拷贝于eclipse paho项目个人制作的原理动画如下图：
但是考虑到物联网终端其实仅需要mqtt的发布方即可，订阅方的代码其实没有太大必要保留，而且从目前发布支持的场景来看，mqtt一些通讯质量模式其实用处也不多，不过在这方面tencentos tiny是没有做任何优化与裁减的。所以这应该也可以看做是tencentos tiny的一个不足吧。
后记
随着移动互联网+智能硬件的不断发展，iot的新业态大门徐徐开启，这里不但有众多互联网企业，也有传统家电甚至金融企业不断入局。但是与传统互联网软件+硬件的模式不同，物联网除了软、硬件外还多了一个侧面-场景，能将软、硬件及场景整合化一的公司才能笑到最后。就像html整合了互联网一样，mqtt等lot协议会是整合全链条的利器，所以最后笔者也呼吁各方除了重视操作系统内核外也需要大力参与lot通讯协议，尤其注重标准制订，这样才能跟上lot的时代潮流。
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