描述

微軟的 Azure RTOS ThreadX 是開源的！我們想向您展示 ThreadX 的基礎知識，以便您可以開始在您的 Arduino 項目中使用這個工業級 RTOS。

預計時間：設置：5 分鐘；第 1 部分：5 分鐘；第 2 部分：30 分鐘；第 3 部分：15 分鐘

估計成本：配備ATSAMD21 或 ATSAMD51芯片的設備 $

介紹

本教程將向您展示如何在 Azure RTOS ThreadX for Arduino 中使用多線程。您將從經典的 Blink 示例開始，并將其轉換為 ThreadX 應用程序。

Azure RTOS：用于微控制器 (MCU) 上的嵌入式 IoT 應用程序的 Microsoft 開發套件。Azure RTOS不需要Azure即可運行。

Azure RTOS ThreadX：Azure RTOS 產品的一個組件。ThreadX是設計用于在 MCU 上運行的實時操作系統 (RTOS)。

Azure RTOS ThreadX for Arduino：Azure RTOS ThreadX 作為庫到 Arduino 的端口。請訪問GitHub 上的AzureRTOS-ThreadX-For-Arduino獲取源代碼。

涵蓋的內容

在本教程結束時，您應該了解以下內容：

術語：內核、線程、線程控制塊、優先級、搶占、搶占閾值

Actions ：如何使用 ThreadX 實現單線程；如何使用 ThreadX 實現多線程

最終代碼：在GitHub 上查看完整的 ThreadX 多線程 Blink 代碼示例。

先決條件

• 安裝Arduino IDE 1.8.x。
• 擁有使用ATSAMD21 或 ATSAMD51芯片的設備。查看此已驗證板的列表。

以下是在 Windows 11、Arduino IDE 1.8.19、Arduino MKR WiFi 1010 和 Seeed Studio Wio 終端上運行的。

設置

預計時間： 5 分鐘

步驟 1.打開 Arduino IDE。

步驟 2.安裝 Azure RTOS Arduino 庫。

• 導航到工具 > 管理庫...
• 搜索“Azure RTOS” 。
• 安裝“Azure RTOS ThreadX” 。請務必安裝最新版本。

步驟 3.為您的設備安裝板包。（本示例使用 Arduino MKR WiFi 1010。）

• 導航到工具 > 板：... > 板管理器...
• 搜索“MKR WiFi 1010” 。
• 安裝“Arduino SAMD 板（32 位 ARM Cortex-M0+）” 。請務必安裝最新版本。

第 1 部分：運行 Arduino Blink 示例

在本節中，我們將運行傳統的 Blink 示例以確認設備設置正確。

預計時間： 5 分鐘

步驟 1.打開 Blink 示例。

• 導航到文件 > 示例 > 01.Basics 。
• 選擇“閃爍” 。

第 2 步。連接您的設備。

• 將您的設備插入您的 PC。
• 導航到工具 > 板：... > Arduino SAMD 板（32 位 ARM Cortex-M0+）
• 選擇“Arduino MKR WiFi 1010” 。
• 導航到工具 > 端口。
• 選擇“<與設備關聯的端口>” 。

步驟 3.運行示例。

• 在左上角，選擇“上傳”圖標。驗證將首先自動進行。
• 觀察 LED 每 1 秒閃爍一次。

深潛

代碼

// 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 利用了兩個核心功能：setup()和loop(). 一旦setup()完成，loop()就會在內部啟動并運行程序的其余部分。因為不存在 RTOS，所以這段代碼可以被認為是裸機編程。

有關更多信息，請參閱完整的 Arduino Blink示例。

第 2 部分：通過 ThreadX 轉換 Blink 示例

在本節中，我們將使用 ThreadX 將裸機 Blink 示例轉換為單線程 RTOS 版本。

預計時間： 30 分鐘

步驟 1.保存示例。

• 導航到文件 > 另存為。
• 將草圖另存為'Blink_ThreadX' 。

步驟 2. (1) 在文件頂部附近添加 Azure RTOS ThreadX 庫頭文件。tx_api.h將它放在評論之后，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 時唯一需要包含的頭文件。tx是 ThreadX 的縮寫。API 中的所有函數都以tx. 所有常量和數據類型都以TX.

步驟 3. (2) 將內核入口函數添加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？

內核是 RTOS 的核心組件。將其視為項目的首席協調員或物流總監。通過“進入”內核，RTOS 內核可以開始運行和管理您的嵌入式應用程序。

該程序永遠不會從tx_kernel_enter(). 結果，應用程序將不會返回setup()，loop()也不會被調用。

重要提示：“對 tx_kernel_enter() 的調用不會返回，因此不要在其后進行任何處理。”

有關. _ _tx_kernel_enter()

Step 4. (3) 添加線程棧內存和線程控制塊。將其放置在文件頂部附近之后#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？

線程是進程（即正在運行的應用程序）內的特定執行路徑。線程與其他線程共享內存空間，但有自己分配的堆棧空間。我們將此堆棧大小定義為THREAD_STACK_SIZE字節并使用數組thread_0_stack來分配內存。有關線程堆棧區域的更多信息，請參閱Microsoft Learn 的 ThreadX 第 3 章：ThreadX 的功能組件。

線程控制塊包含線程的特定數據。TX_THREAD是線程控制塊的 ThreadX 數據類型。有關. _ _TX_THREAD

重要提示：“ThreadX 不使用術語任務。相反，使用更具描述性和現代性的名稱線程。” 有關任務與線程的更多信息，請參閱Microsoft Learn 的 ThreadX 第 1 章：ThreadX 簡介。

Step 5. (4) 定義線程的入口函數thread_0_entry()。將函數定義放在thread_0_stack數組之后和之前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？

線程的入口函數由內核調用，包含線程執行邏輯。通常，此函數將包含一個無限循環（即while(1)），它將在整個運行程序中執行。此函數的名稱由用戶確定。

步驟 6. (5) 將 LED 閃爍邏輯從loop()線程的入口函數中移出。替換delay(1000)為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？

因為loop()將不再被調用，所以必須將閃爍邏輯移到新線程中。該delay()函數有局限性，因為我們稍后要暫停線程以允許其他線程執行，我們將使用 ThreadX 的tx_thread_sleep()函數來代替。此函數將計時器滴答作為其參數，而不是毫秒。

Step 7. (6) 添加應用程序的環境設置功能tx_application_define()。將此函數放置在 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？

內核入口函數tx_kernel_enter()將調用該函數tx_application_define()來設置應用程序環境和系統資源。用戶有責任使用為 RTOS 環境創建系統資源的邏輯來實現此功能。

有關. _ _tx_application_define()

第 8 步。(7) 使用 . 創建線程tx_thread_create()。將此函數調用添加到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()創建具有指定參數的線程。此示例中使用的參數反映以下內容：

• &thread_0: 指向定義的線程控制塊的指針。（見步驟 4。）
• "thread_0": 線程名稱（即，指向名稱的指針）。
• thread_0_entry：用戶自定義線程入口函數。（見步驟 5。）
• 0: 線程的入口輸入。我們沒有利用這個論點。
• thread_0_stack: 指向線程堆棧開始的指針。（見步驟 4。）
• THREAD_STACK_SIZE：線程堆棧的大小（以字節為單位）。（見步驟 4。）
• 1: 線程的優先級。
• 1：線程的搶占閾值。
• TX_NO_TIME_SLICE: 時間片被禁用。
• TX_AUTO_START: 線程自動啟動。

線程的優先級有助于線程調度程序確定接下來要執行的線程。一些線程可能對執行更為關鍵，因此相對于其他線程被賦予更高的優先級。ThreadX 有 32 個默認優先級，從 0 到 31，0 為最高優先級，31 為最低優先級。

搶占是指停止現有線程的執行，以便可以運行更高優先級。調度程序控制這一點，當中斷線程完成時，執行返回到暫停的線程。

搶占閾值是 ThreadX 獨有的。只有高于此閾值的優先級才能搶占線程。

有關線程執行、線程優先級、線程調度和線程搶占的更多信息，請參閱Microsoft Learn 的 ThreadX 第 3 章：ThreadX 的功能組件。

步驟 9.使用 Azure RTOS ThreadX 運行 Blink 示例。

按照第 2 步。連接您的設備和第 3 步。運行第 1 部分中的示例：運行 Arduino Blink 示例。

深潛

代碼

/* (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 格式和單行樣式注釋//已轉換為 ThreadX 格式和多行樣式/* */。

到底是怎么回事？

setup()上面的代碼演示了如何用Azure RTOS ThreadX替換 Arduino 裸機單線程方法。loop()

之前的裸機代碼流程是：

• setup()-> loop()-> 無限循環閃爍邏輯。

ThreadX 新的代碼流程是：

• setup()-> tx_kernel_enter()-> tx_application_define()-> thread_0_entry()-> 無限循環 Blink 邏輯。

盡管這種方法仍然保持相同的單線程功能，但現在可以根據需要添加額外的線程。第 3 部分將演示如何執行此操作。

第 3 部分：通過 ThreadX 將多線程應用到 Blink 示例

在本節中，我們將使用單線程 ThreadX Blink 代碼創建一個多線程版本，該版本也可以讀取串行輸入。

預計時間： 15 分鐘

步驟 1.保存示例。

• 導航到文件 > 另存為。
• 將草圖另存為'Blink_SerialRead_ThreadX' 。

步驟 2. (8) 添加線程堆棧內存和線程控制塊以再增加一個線程。

/* (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。對于要添加的每個線程，您需要分配其堆棧內存并聲明其線程控制塊。 TX_THREAD

Step 3. (9) 定義新線程的入口函數thread_1_entry()。將函數定義放在 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。每個線程都需要一個用戶定義的入口函數來執行線程邏輯。

Step 4. (10) 將串行讀取邏輯添加到線程的入口函數中。

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？

串行讀取邏輯從串行輸入接收字節并將它們打印到串行監視器。請注意，此邏輯放在 中while(1)，但串行初始化Serial.begin()函數沒有。因為初始化只需要發生一次，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 . 創建新線程tx_thread_create()。在tx_application_define()創建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。 在所使用的論點中發現了差異。注意命名如何改變以反映： thread_1

• &thread_1: 指向定義的線程控制塊的指針。
• "thread_1": 線程名稱（即，指向名稱的指針）。
• thread_1_entry：用戶自定義線程入口函數。
• thread_1_stack: 指向線程堆棧開始的指針。

另一個改變的參數集是優先級和搶占閾值：

• 4: 線程的優先級。
• 4：線程的搶占閾值。

因為4的優先級低于1 ，thread_0所以將首先執行，并且只有在它掛起時（tx_thread_sleep()），調度程序才會執行行中的下一個線程（thread_1）。一旦thread_0完成暫停，調度程序將搶占thread_1并返回執行thread_0。

保持不變的論點是：

• 0: 線程的入口輸入。
• THREAD_STACK_SIZE：線程堆棧的大小（以字節為單位）。
• TX_NO_TIME_SLICE: 時間片被禁用。
• TX_AUTO_START: 線程自動啟動。

步驟 6.使用 Azure RTOS ThreadX 運行多線程 Blink 示例。

• 按照第 2 步。連接您的設備和第 3 步。運行第 1 部分中的示例：運行 Arduino Blink 示例。
• 觀察 LED 每 1 秒閃爍一次。
• 導航到工具 > SerialMonitor 。
• 輸入你好閃爍！進入串行輸入線。

• 選擇“發送” 。

深潛

代碼

/* (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. */
}

注意：Arduino Blink 格式和單行樣式注釋//已轉換為 ThreadX 格式和多行樣式/* */。

到底是怎么回事？

上面的代碼演示了如何使用 Azure RTOS ThreadX 向 Arduino 應用程序添加額外的線程。一個線程使 LED 閃爍，而另一個線程接收串行輸入并將其打印到串行監視器。線程對于同時且彼此獨立地執行不同的任務非常有幫助。

盡管本教程中沒有演示，但線程也可以通過同步和相互通信。當程序需要隨時接收傳入數據但也需要對其進行處理時，這可能很有用。這兩個任務可以分成兩個線程。

我們希望在未來的 Azure RTOS ThreadX for Arduino 教程中介紹這些和其他概念。敬請關注！

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