rt-thread 优化系列（0） SysTick 优化分析

前言

论坛里有人提出了一个疑问，说 STM32 系列 bsp 在初始化系统时钟的过程中使用到了 tick ，而 tick 需要初始化并使能 SysTick 中断。但是呢，SysTick 中断中有 rtt 的 tick 以及硬定时器检测，以及可能存在的系统任务调度。初始化时钟是极其早期必须完成的工作，这个时候别说系统了，其它外围设备也没有被初始化。由此产生一个问题，极其早期使用了比较后期的资源，同时，因为需要使用 SysTick 中断而简单粗暴地使用 `__set_PRIMASK` 使能了总中断！！！这是万万不可取的。

有人发现了这一矛盾之处，在[论坛](https://club.rt-thread.org/ask/article/2857.html) 里和 gitee 的 [issue]( https://gitee.com/rtthread/rt-thread/pulls/246) 里也是各执己见，热闹非凡。

下面我讲讲我的处理方案。

理论前提

1. rtt 标榜的是实时操作系统，对于系统中频繁执行的代码需要严格审查，保证没有一行多余代码。（非实时操作系统也不希望自己多数时候空跑一条无用的代码）
2. 中断是个很棘手的东西，在不确定开中断会引起什么后果的时候，坚决不能开中断。
3. rtt 系统启动是有它自己的流程的。分阶段的，任何资源的初始化都有个阶段以及先后顺序。
4. 板级初始化，如非必要，如果可以延迟尽量延迟，先保证 rtt 内核调度运行起来。

基于以上几点，我的修改方案如下。

预初始化 SysTick

上电后，MCU 默认使用的内部晶振，时钟也是默认值，这个时候使用默认值初始化 SysTick，但是**不开启中断**！！！
在 STM32 的 bsp 里，因为有如下调用关系 `rt_hw_board_init` -> `HAL_Init` -> `HAL_InitTick`。
`HAL_InitTick` 在 hal 里是弱实现，'drv_common.c' 重新实现并且是个空函数，这里可以借用一下。

/* re-implement tick interface for STM32 HAL */
HAL_StatusTypeDef HAL_InitTick(uint32_t TickPriority)
{
   HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq() / RT_TICK_PER_SECOND);
   /* Return function status */
   return HAL_OK;
}

初始化系统时钟

第二步配置时钟频率，切换内外时钟或者倍频等等操作。中间如果有延时等待的需求，可以使用 SysTick 实现 udelay 短延时，进而通过 while 循环累积达到等待超时的效果。
首先，在 'drv_common.c' 文件里添加 `HAL_uDelay` 微秒延时实现，其实就是调用 `rt_hw_us_delay` 。
然后，在 'stm32xxx_hal_conf.h' 头文件末尾添加一个通用宏定义：

#define HAL_WAITFOR_CONDITION(condition, ms) do { \
 uint32_t cnt = 0; \
 while((condition)) { \
   if (cnt > (ms) * 1000 / 10) \
   { \
       return HAL_TIMEOUT; \
   } \
   HAL_uDelay(10); \
   cnt++; \
 }\
} while(0)

其中，condition 是等待条件，ms 是等待超时时间。
因为 udelay 了 10us ，所以整体的精度就是 10us ，时间损失可以控制在 10us 内。

涉及到的函数有 `HAL_RCC_OscConfig` `HAL_PWREx_EnableOverDrive` `HAL_RCC_ClockConfig` `HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig` 等。
其中一处修改前后

       /* Get Start Tick */
       tickstart = HAL_GetTick();
       /* Wait till HSE is ready */
       while(__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET)
       {
         if((HAL_GetTick() - tickstart ) > HSE_TIMEOUT_VALUE)
         {
           return HAL_TIMEOUT;
         }
       }

       /* Wait till HSE is ready */
       HAL_WAITFOR_CONDITION((__HAL_RCC_GET_FLAG(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET), HSE_TIMEOUT_VALUE);

其它地方如法炮制，只是把等待条件和等待时间添加到宏函数里。

rt_hw_board_init 调整

调整后的代码如下：
1. 去掉开启关闭全局中断操作；
2. 提前控制台串口初始化；
3. 堆栈的初始化并不需要那么着急，但是必须在 rt_components_board_init 之前；
4. gpio 初始化也在 rt_components_board_init 之前。

其中 2-4 的调整是调试需求控制台。
最终结果如下。

RT_WEAK void rt_hw_board_init()
{
#ifdef SCB_EnableICache
   /* Enable I-Cache---------------------------------------------------------*/
   SCB_EnableICache();
#endif
#ifdef SCB_EnableDCache
   /* Enable D-Cache---------------------------------------------------------*/
   SCB_EnableDCache();
#endif

   /* HAL_Init() function is called at the beginning of the program */
   HAL_Init();

   /* System clock initialization */
   SystemClock_Config();

   rt_hw_systick_init();

   /* USART driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_SERIAL
   rt_hw_usart_init();
#endif

   /* Set the shell console output device */
#ifdef RT_USING_CONSOLE
   rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);
#endif

   /* Pin driver initialization is open by default */
#ifdef RT_USING_PIN
   rt_hw_pin_init();
#endif

   /* Heap initialization */
#if defined(RT_USING_HEAP)
   rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);
#endif

   /* Board underlying hardware initialization */
#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
   rt_components_board_init();
#endif
}

修改 `rt_hw_systick_init`

去掉 `rt_hw_systick_init` 函数中使能 SysTick 中断的操作。添加使能 SysTick 中断函数。

void rt_hw_systick_irq_enable(void)
{
   HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}

修改 `rtthread_startup`

添加使能 SysTick 中断处理。

   rt_hw_systick_irq_enable();
      /* start scheduler */
   rt_system_scheduler_start();

SysTick_Handler 异常响应

目前，`SysTick_Handler` 函数就下面这么清爽，不需要考虑并行增加 hal 的tick值。

void SysTick_Handler(void)
{
   /* enter interrupt */
   rt_interrupt_enter();
      rt_tick_increase();

   /* leave interrupt */
   rt_interrupt_leave();
}

运行测试

修改后系统启动正常，运行正常。
RCC 初始化过程如果失败，等待超时也能正常超时返回。
经过初步验证，不使用 SysTick 前提下初始化配置硬件的可行性还是有的。

其它可行性

这次尝试仅限于最小范围，仅仅考虑了系统时钟配置过程，未考虑其它板级外设配置过程。考虑到 hal 是比较庞大的，每次 hal 升级都把所有的 hal 文件修改一遍工作量也是不小的。这样也不方便。如果降低修改范围，只修改 RCC 相关部分，其它外设配置仍然想正常使用 SysTick ，有一种方法就是继续提前系统调度的启动时间点。
鉴于此，系统启动流程大致如下
1. 配置系统时钟，同时配置 SysTick（同前）；
2. 初始化 rtt 系统调度器；
3. 初始化 idle 线程；
4. 启动 SysTick 中断；
5. 启动 idle 线程并启动 rtt 系统调度；
6. 由 idle 线程初始化调试串口；
7. 由 idle 线程初始化内存堆；
8. 由 idle 线程调用执行 `rt_components_board_init` 初始化板级外设配置；
9. 由 idle 线程创建 main 和 soft timer 线程。
10. main 线程进行组件初始化配置，以及创建其它应用线程。

由此，可以做到以下几点：
1. 保障所有操作都在是线程中进行的。省去很多 `if (rt_thread_self() != RT_NULL)` 的操作；
2. 保障中断可以及早放心打开；
3. 明确启动流程，确定启动流程每一阶段的工作重点以及必须完成的任务。

缺点，因 idle 线程工作量变多，idle 线程栈可能会比较大。一个空闲线程占用过多的内存也是浪费。另外，多核处理器的 idle 线程数量和核心数量一样，由哪个 idle 线程完成上面的工作也需要做个抉择。

> 本优化系列所有提到的更改已经提交到 gitee ，欢迎大家测试
https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo

审核编辑：汤梓红