Zephyr 系统启动、线程与调度器
1. 从 Reset 到 z_cstart
各架构负责：
- 设置 CPU mode 和初始 stack；
- 必要时复制
.data、清理早期状态；
- 初始化最基本的 exception/vector 环境；
- 调用通用 C 入口
z_cstart()。
具体 reset 入口位于 arch/<arch>/core/ 或 SoC startup。通用内核不假定某一种向量表或上下文格式。
2. z_cstart() 流程
kernel/init.c:z_cstart() 是通用启动主线：
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| z_cstart()
├─ gcov_static_init()
├─ z_sys_init_run_level(EARLY)
├─ arch_kernel_init()
├─ LOG_CORE_INIT()
├─ 初始化 dummy thread
├─ z_device_state_init()
├─ z_sys_init_run_level(PRE_KERNEL_1)
├─ arch_smp_init()
├─ z_sys_init_run_level(PRE_KERNEL_2)
├─ stack canary / early random
├─ prepare_multithreading()
└─ switch_to_main_thread()
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PRE_KERNEL 阶段仍在 interrupt/early boot stack 上运行，不能使用会阻塞或依赖完整调度器的内核服务。
3. Main thread
prepare_multithreading()：
- 初始化 CPU 0；
- 为每个 CPU 创建 idle thread；
- 使用
z_setup_new_thread() 创建 z_main_thread；
- 入口为
bg_thread_main()；
- priority 为
CONFIG_MAIN_THREAD_PRIORITY；
- stack 为
CONFIG_MAIN_STACK_SIZE；
- 标记 main thread ready。
切换到 main thread 后执行：
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| bg_thread_main()
├─ POST_KERNEL init
├─ boot_banner()
├─ z_init_static()
├─ APPLICATION init
├─ z_init_static_threads()
├─ z_smp_init()
├─ SMP init level
├─ memory management finish
└─ main()
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应用 main() 返回后，main thread 正常结束；其他线程和 idle 继续运行。
4. 初始化级别
include/zephyr/init.h 定义：
EARLYPRE_KERNEL_1PRE_KERNEL_2POST_KERNELAPPLICATIONSMP
SYS_INIT(fn, level, prio) 生成 struct init_entry 并放入：
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| .z_init_<level><priority>_<subpriority>_
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链接脚本按 section name 排序。z_sys_init_run_level() 遍历起止符号并调用：
- 系统 entry：
entry->init_fn.sys()；
- device entry：设备初始化包装函数。
同一 level 的 priority 必须是 0–99 的十进制字面量或能直接展开为该字面量的宏，不能是算术表达式。
5. 线程对象
struct k_thread 的重要内容：
- 架构保存上下文；
struct _thread_base 调度字段；- stack 信息；
- entry 参数和返回状态；
- timeout；
- resource pool；
- userspace permission/object metadata；
- thread name、custom data、runtime stats；
- SMP CPU mask/当前 CPU；
- join、abort、suspend 状态。
线程 ID k_tid_t 实际是 struct k_thread *。
6. 创建线程
静态线程
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| K_THREAD_DEFINE(name, stack_size, entry,
p1, p2, p3, prio, options, delay);
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宏生成：
- stack；
struct k_thread；_static_thread_data iterable entry。
启动时 z_init_static_threads() 先调用 z_setup_new_thread()，再按 delay 调度。
动态线程
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| k_thread_create(thread, stack, stack_size,
entry, p1, p2, p3,
prio, options, delay);
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主要路径：
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| k_thread_create
→ z_impl_k_thread_create
→ setup_thread_stack
→ z_setup_new_thread
→ arch_new_thread
→ thread_schedule_new
→ z_ready_thread
→ z_reschedule
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架构层负责把初始 stack 构造成首次 context switch 后能进入 thread entry 的格式。
7. 优先级模型
数值越小，逻辑优先级越高：
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| 负数：cooperative priorities
-CONFIG_NUM_COOP_PRIORITIES ... -1
非负：preemptible priorities
0 ... CONFIG_NUM_PREEMPT_PRIORITIES - 1
最低：idle priority
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宏：
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| K_PRIO_COOP(x)
K_PRIO_PREEMPT(x)
K_HIGHEST_THREAD_PRIO
K_LOWEST_APPLICATION_THREAD_PRIO
K_IDLE_PRIO
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Cooperative thread 在主动阻塞、yield、终止或遇到 meta-IRQ thread 前不会被普通线程抢占。Preemptible thread 可被更高优先级 ready thread 抢占。
8. Ready queue 实现
调度策略由 Kconfig 选择：
- simple/dumb queue：适合极少线程，线性查找；
- multi-queue：按优先级维护队列；
- scalable：红黑树，适合较多线程，插入/删除为 O(log n)。
抽象位于 kernel/priority_queues.c 和相关头文件。调度器不需要知道底层容器细节，只操作：
- queue thread；
- dequeue thread；
- best/next thread。
选择依据不是“算法越复杂越好”，而是线程数量、RAM/ROM 和调度延迟需求。
9. 调度核心
kernel/sched.c 关键函数：
z_ready_thread()：把线程加入 ready queue；z_unready_thread()：移除 ready 状态；next_up()：选择下一线程；update_cache()：更新 cached next thread；z_reschedule()：判断是否需要切换；z_swap()：完成通用调度状态转换并调用 arch switch；z_pend_curr()：当前线程挂入 wait queue；z_unpend_first_thread()：唤醒等待者；z_impl_k_yield()：同优先级让出。
典型抢占路径：
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| ISR/线程使高优先级线程 ready
→ ready_thread()
→ update_cache()
→ z_reschedule()
→ need_swap()
→ z_swap()
→ next_up()
→ arch_switch()
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10. Wait queue 与阻塞
信号量、mutex、queue 等对象包含 wait queue。阻塞流程：
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| 检查资源不可用
→ 持有 object/scheduler spinlock
→ add_to_waitq_locked()
→ 设置 timeout
→ 当前线程退出 ready 状态
→ z_swap()
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唤醒流程：
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| 资源变为可用
→ 选择 wait queue 最高优先级线程
→ 取消 timeout
→ z_ready_thread()
→ 必要时抢占当前线程
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11. Scheduler lock、IRQ lock 与 Spinlock
k_sched_lock()：阻止当前 CPU 上普通抢占，不关闭中断；irq_lock()：架构级屏蔽/锁定中断，临界区应极短；k_spin_lock()：SMP 互斥并保存 IRQ 状态；- mutex：线程级可睡眠锁，支持 priority inheritance。
不能用 scheduler lock 替代 SMP 数据保护；另一个 CPU 仍可能并发访问。
12. 时间片
CONFIG_TIMESLICING 启用同优先级 preemptible threads 的轮转：
kernel/timeslicing.c 管理 slice；CONFIG_TIMESLICE_SIZE 设置 tick 数；CONFIG_TIMESLICE_PRIORITY 决定应用范围；- thread 可配置自定义 time slice callback。
更高优先级唤醒仍立即抢占，时间片只解决同优先级公平性。
13. Timeout
kernel/timeout.c 管理全局 timeout queue。典型 timeout 来源：
k_sleep()；- semaphore/mutex/poll 等限时等待；
- timer；
- delayed work；
- thread delayed start。
timeout 使用 tick 绝对/相对截止时间，并通过 delta queue 或配置的 timeout 容器管理。系统时钟 driver 到期后调用 sys_clock_announce()，推进 timeout 并唤醒对象。
Tickless 模式会让 timer driver 直接编程到最近 deadline，减少空闲 tick 中断。
14. 中断与调度
ISR 中可以调用标记为 ISR-safe 的 API，使线程 ready。是否在 ISR 退出时切换取决于：
- 是否有更高优先级 ready thread；
- scheduler lock；
- 当前线程 cooperative/preemptible；
- 架构的 interrupt exit/swap 实现。
ISR 不应调用可能睡眠的 API。k_is_in_isr() 可用于防御检查，但正确做法是按 API 文档设计上下文。
15. SMP
CONFIG_SMP 下：
_kernel.cpus[] 保存每 CPU 当前线程；- shared ready queue 受 scheduler spinlock 保护；
- thread 可设置 CPU mask；
- IPI 通知其他 CPU reschedule；
- idle thread 每 CPU 一个；
next_up() 需避免同一 thread 被多个 CPU 同时选中；- meta-IRQ threads 提供接近中断底半部的高优先级语义。
SMP 中即使本 CPU 不发生 switch，也可能需要发送 pending IPI。
16. 实时性注意事项
影响 worst-case latency 的因素：
- 长时间 IRQ lock/spinlock；
- cooperative 高优先级线程不阻塞；
- 大量同优先级 ready threads；
- logging immediate mode；
- flash erase/write；
- cache miss 和外部 memory；
- driver ISR 工作量；
- userspace syscall/MPU 切换；
- SMP lock contention。
实时性评估应测量最大值和尾延迟，而不只看平均 context-switch 时间。