bertos/kern/proc.h

   1 /**
   2  * \file
   3  * <!--
   4  * This file is part of BeRTOS.
   5  *
   6  * Bertos is free software; you can redistribute it and/or modify
   7  * it under the terms of the GNU General Public License as published by
   8  * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
   9  * (at your option) any later version.
  10  *
  11  * This program is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  14  * GNU General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU General Public License
  17  * along with this program; if not, write to the Free Software
  18  * Foundation, Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  19  *
  20  * As a special exception, you may use this file as part of a free software
  21  * library without restriction.  Specifically, if other files instantiate
  22  * templates or use macros or inline functions from this file, or you compile
  23  * this file and link it with other files to produce an executable, this
  24  * file does not by itself cause the resulting executable to be covered by
  25  * the GNU General Public License.  This exception does not however
  26  * invalidate any other reasons why the executable file might be covered by
  27  * the GNU General Public License.
  28  *
  29  * Copyright 2001, 2004 Develer S.r.l. (http://www.develer.com/)
  30  * Copyright 1999, 2000, 2001, 2008 Bernie Innocenti <bernie@codewiz.org>
  31  * -->
  32  *
  33  * \defgroup kern_proc Process (Threads) management
  34  * \ingroup kern
  35  * \{
  36  *
  37  * \brief BeRTOS Kernel core (Process scheduler).
  38  *
  39  * This is the core kernel module. It allows you to create new processes
  40  * (which are called \b threads in other systems) and set the priority of
  41  * each process.
  42  *
  43  * A process needs a work area (called \b stack) to run. To create a process,
  44  * you need to declare a stack area, then create the process.
  45  * You may also pass NULL for the stack area, if you have enabled kernel heap:
  46  * in this case the stack will be automatically allocated.
  47  *
  48  * Example:
  49  * \code
  50  * PROC_DEFINE_STACK(stack1, 200);
  51  *
  52  * void NORETURN proc1_run(void)
  53  * {
  54  *    while (1)
  55  *    {
  56  *       LOG_INFO("I'm alive!\n");
  57  *       timer_delay(1000);
  58  *    }
  59  * }
  60  *
  61  *
  62  * int main()
  63  * {
  64  *    Process *p1 = proc_new(proc1_run, NULL, stack1, sizeof(stack1));
  65  *    // here the process is already running
  66  *    proc_setPri(p1, 2);
  67  *    // ...
  68  * }
  69  * \endcode
  70  *
  71  * The Process struct must be regarded as an opaque data type, do not access
  72  * any of its members directly.
  73  *
  74  * The entry point function should be declared as NORETURN, because it will
  75  * remove a warning and enable compiler optimizations.
  76  *
  77  * You can temporarily disable preemption calling proc_forbid(); remember
  78  * to enable it again calling proc_permit().
  79  *
  80  * \note You should hardly need to manually release the CPU; however you
  81  *       can do it using the cpu_relax() function. It is illegal to release
  82  *       the CPU with preemption disabled.
  83  *
  84  * \author Bernie Innocenti <bernie@codewiz.org>
  85  *
  86  * $WIZ$ module_name = "kernel"
  87  * $WIZ$ module_configuration = "bertos/cfg/cfg_proc.h"
  88  * $WIZ$ module_depends = "switch_ctx"
  89  * $WIZ$ module_supports = "not atmega103"
  90  */
  91
  92 #ifndef KERN_PROC_H
  93 #define KERN_PROC_H
  94
  95 #include "cfg/cfg_proc.h"
  96 #include "cfg/cfg_signal.h"
  97 #include "cfg/cfg_monitor.h"
  98
  99 #include <struct/list.h> // Node, PriNode
 100
 101 #include <cfg/compiler.h>
 102 #include <cfg/debug.h> // ASSERT()
 103
 104 #include <cpu/types.h> // cpu_stack_t
 105 #include <cpu/frame.h> // CPU_SAVED_REGS_CNT
 106
 107 #include <kern/signal.h>
 108
 109 /*
 110  * WARNING: struct Process is considered private, so its definition can change any time
 111  * without notice. DO NOT RELY on any field defined here, use only the interface
 112  * functions below.
 113  *
 114  * You have been warned.
 115  */
 116 typedef struct Process
 117 {
 118 #if CONFIG_KERN_PRI
 119         PriNode      link;        /**< Link Process into scheduler lists */
 120 #else
 121         Node         link;        /**< Link Process into scheduler lists */
 122 #endif
 123         cpu_stack_t  *stack;       /**< Per-process SP */
 124         iptr_t       user_data;   /**< Custom data passed to the process */
 125
 126 #if CONFIG_KERN_SIGNALS
 127         Signal       sig;
 128 #endif
 129
 130 #if CONFIG_KERN_HEAP
 131         uint16_t     flags;       /**< Flags */
 132 #endif
 133
 134 #if CONFIG_KERN_HEAP | CONFIG_KERN_MONITOR
 135         cpu_stack_t  *stack_base;  /**< Base of process stack */
 136         size_t       stack_size;  /**< Size of process stack */
 137 #endif
 138
 139         /* The actual process entry point */
 140         void (*user_entry)(void);
 141
 142 #if CONFIG_KERN_MONITOR
 143         struct ProcMonitor
 144         {
 145                 Node        link;
 146                 const char *name;
 147         } monitor;
 148 #endif
 149
 150 } Process;
 151
 152 /**
 153  * Initialize the process subsystem (kernel).
 154  * It must be called before using any process related function.
 155  */
 156 void proc_init(void);
 157
 158 struct Process *proc_new_with_name(const char *name, void (*entry)(void), iptr_t data, size_t stacksize, cpu_stack_t *stack);
 159
 160 #if !CONFIG_KERN_MONITOR
 161         /**
 162          * Create a new named process and schedules it for execution.
 163          *
 164          * When defining the stacksize take into account that you may want at least:
 165          * \li save all the registers for each nested function call;
 166          * \li have memory for the struct Process, which is positioned at the bottom
 167          * of the stack;
 168          * \li have some memory for temporary variables inside called functions.
 169          *
 170          * The value given by KERN_MINSTACKSIZE is rather safe to use in the first place.
 171          *
 172          * \param entry Function that the process will execute.
 173          * \param data Pointer to user data.
 174          * \param size Length of the stack.
 175          * \param stack Pointer to the memory area to be used as a stack.
 176          *
 177          * \return Process structure of new created process
 178          *         if successful, NULL otherwise.
 179          */
 180         #define proc_new(entry,data,size,stack) proc_new_with_name(NULL,(entry),(data),(size),(stack))
 181 #else
 182         #define proc_new(entry,data,size,stack) proc_new_with_name(#entry,(entry),(data),(size),(stack))
 183 #endif
 184
 185 /**
 186  * Terminate the execution of the current process.
 187  */
 188 void proc_exit(void);
 189
 190 /*
 191  * Public scheduling class methods.
 192  */
 193 void proc_yield(void);
 194
 195 #if CONFIG_KERN_PREEMPT
 196 bool proc_needPreempt(void);
 197 void proc_preempt(void);
 198 #else
 199 INLINE bool proc_needPreempt(void)
 200 {
 201         return false;
 202 }
 203
 204 INLINE void proc_preempt(void)
 205 {
 206 }
 207 #endif
 208
 209 void proc_rename(struct Process *proc, const char *name);
 210 const char *proc_name(struct Process *proc);
 211 const char *proc_currentName(void);
 212
 213 /**
 214  * Return a pointer to the user data of the current process.
 215  *
 216  * To obtain user data, just call this function inside the process. Remember to cast
 217  * the returned pointer to the correct type.
 218  * \return Pointer to the user data of the current process.
 219  */
 220 INLINE iptr_t proc_currentUserData(void)
 221 {
 222         extern struct Process *current_process;
 223         return current_process->user_data;
 224 }
 225
 226 int proc_testSetup(void);
 227 int proc_testRun(void);
 228 int proc_testTearDown(void);
 229
 230 /**
 231  * Return the context structure of the currently running process.
 232  *
 233  * The details of the Process structure are private to the scheduler.
 234  * The address returned by this function is an opaque pointer that can
 235  * be passed as an argument to other process-related functions.
 236  */
 237 INLINE struct Process *proc_current(void)
 238 {
 239         extern struct Process *current_process;
 240         return current_process;
 241 }
 242
 243 #if CONFIG_KERN_PRI
 244         void proc_setPri(struct Process *proc, int pri);
 245 #else
 246         INLINE void proc_setPri(UNUSED_ARG(struct Process *,proc), UNUSED_ARG(int, pri))
 247         {
 248         }
 249 #endif
 250
 251 #if CONFIG_KERN_PREEMPT
 252
 253         /**
 254          * Disable preemptive task switching.
 255          *
 256          * The scheduler maintains a global nesting counter.  Task switching is
 257          * effectively re-enabled only when the number of calls to proc_permit()
 258          * matches the number of calls to proc_forbid().
 259          *
 260          * \note Calling functions that could sleep while task switching is disabled
 261          * is dangerous and unsupported.
 262          *
 263          * \note proc_permit() expands inline to 1-2 asm instructions, so it's a
 264          * very efficient locking primitive in simple but performance-critical
 265          * situations.  In all other cases, semaphores offer a more flexible and
 266          * fine-grained locking primitive.
 267          *
 268          * \sa proc_permit()
 269          */
 270         INLINE void proc_forbid(void)
 271         {
 272                 extern cpu_atomic_t preempt_count;
 273                 /*
 274                  * We don't need to protect the counter against other processes.
 275                  * The reason why is a bit subtle.
 276                  *
 277                  * If a process gets here, preempt_forbid_cnt can be either 0,
 278                  * or != 0.  In the latter case, preemption is already disabled
 279                  * and no concurrency issues can occur.
 280                  *
 281                  * In the former case, we could be preempted just after reading the
 282                  * value 0 from memory, and a concurrent process might, in fact,
 283                  * bump the value of preempt_forbid_cnt under our nose!
 284                  *
 285                  * BUT: if this ever happens, then we won't get another chance to
 286                  * run until the other process calls proc_permit() to re-enable
 287                  * preemption.  At this point, the value of preempt_forbid_cnt
 288                  * must be back to 0, and thus what we had originally read from
 289                  * memory happens to be valid.
 290                  *
 291                  * No matter how hard you think about it, and how complicated you
 292                  * make your scenario, the above holds true as long as
 293                  * "preempt_forbid_cnt != 0" means that no task switching is
 294                  * possible.
 295                  */
 296                 ++preempt_count;
 297
 298                 /*
 299                  * Make sure preempt_count is flushed to memory so the preemption
 300                  * softirq will see the correct value from now on.
 301                  */
 302                 MEMORY_BARRIER;
 303         }
 304
 305         /**
 306          * Re-enable preemptive task switching.
 307          *
 308          * \sa proc_forbid()
 309          */
 310         INLINE void proc_permit(void)
 311         {
 312                 extern cpu_atomic_t preempt_count;
 313
 314                 /*
 315                  * This is to ensure any global state changed by the process gets
 316                  * flushed to memory before task switching is re-enabled.
 317                  */
 318                 MEMORY_BARRIER;
 319                 /* No need to protect against interrupts here. */
 320                 ASSERT(preempt_count > 0);
 321                 --preempt_count;
 322                 /*
 323                  * This ensures preempt_count is flushed to memory immediately so the
 324                  * preemption interrupt sees the correct value.
 325                  */
 326                 MEMORY_BARRIER;
 327         }
 328
 329         /**
 330          * \return true if preemptive task switching is allowed.
 331          * \note This accessor is needed because preempt_count
 332          *       must be absoultely private.
 333          */
 334         INLINE bool proc_preemptAllowed(void)
 335         {
 336                 extern cpu_atomic_t preempt_count;
 337                 return (preempt_count == 0);
 338         }
 339 #else /* CONFIG_KERN_PREEMPT */
 340         #define proc_forbid() /* NOP */
 341         #define proc_permit() /* NOP */
 342         #define proc_preemptAllowed() (true)
 343 #endif /* CONFIG_KERN_PREEMPT */
 344
 345 /** Deprecated, use the proc_preemptAllowed() macro. */
 346 #define proc_allowed() proc_preemptAllowed()
 347
 348 /**
 349  * Execute a block of \a CODE atomically with respect to task scheduling.
 350  */
 351 #define PROC_ATOMIC(CODE) \
 352         do { \
 353                 proc_forbid(); \
 354                 CODE; \
 355                 proc_permit(); \
 356         } while(0)
 357
 358 /**
 359  * Default stack size for each thread, in bytes.
 360  *
 361  * The goal here is to allow a minimal task to save all of its
 362  * registers twice, plus push a maximum of 32 variables on the
 363  * stack. We add also struct Process size since we save it into the process'
 364  * stack.
 365  *
 366  * The actual size computed by the default formula greatly depends on what
 367  * options are active and on the architecture.
 368  *
 369  * Note that on most 16bit architectures, interrupts will also
 370  * run on the stack of the currently running process.  Nested
 371  * interrupts will greatly increases the amount of stack space
 372  * required per process.  Use irqmanager to minimize stack
 373  * usage.
 374  */
 375
 376 #if (ARCH & ARCH_EMUL)
 377         /* We need a large stack because system libraries are bloated */
 378         #define KERN_MINSTACKSIZE 65536
 379 #else
 380         #if CONFIG_KERN_PREEMPT
 381                 /*
 382                  * A preemptible kernel needs a larger stack compared to the
 383                  * cooperative case. A task can be interrupted anytime in each
 384                  * node of the call graph, at any level of depth. This may
 385                  * result in a higher stack consumption, to call the ISR, save
 386                  * the current user context and to execute the kernel
 387                  * preemption routines implemented as ISR prologue and
 388                  * epilogue. All these calls are nested into the process stack.
 389                  *
 390                  * So, to reduce the risk of stack overflow/underflow problems
 391                  * add a x2 to the portion stack reserved to the user process.
 392                  */
 393                 #define KERN_MINSTACKSIZE \
 394                         (sizeof(Process) + CPU_SAVED_REGS_CNT * 2 * sizeof(cpu_stack_t) \
 395                         + 32 * sizeof(int) * 2)
 396         #else
 397                 #define KERN_MINSTACKSIZE \
 398                         (sizeof(Process) + CPU_SAVED_REGS_CNT * 2 * sizeof(cpu_stack_t) \
 399                         + 32 * sizeof(int))
 400         #endif /* CONFIG_KERN_PREEMPT */
 401
 402 #endif
 403
 404 #ifndef CONFIG_KERN_MINSTACKSIZE
 405         /* For backward compatibility */
 406         #define CONFIG_KERN_MINSTACKSIZE KERN_MINSTACKSIZE
 407 #else
 408         #warning FIXME: This macro is deprecated, use KERN_MINSTACKSIZE instead
 409 #endif
 410
 411 /**
 412  * Utility macro to allocate a stack of size \a size.
 413  *
 414  * This macro define a static stack for one process and do
 415  * check if given stack size is enough to run process.
 416  * \note If you plan to use kprintf() and similar functions, you will need
 417  * at least KERN_MINSTACKSIZE * 2 bytes.
 418  *
 419  * \param name Variable name for the stack.
 420  * \param size Stack size in bytes. It must be at least KERN_MINSTACKSIZE.
 421  */
 422 #define PROC_DEFINE_STACK(name, size) \
 423         cpu_stack_t name[((size) + sizeof(cpu_stack_t) - 1) / sizeof(cpu_stack_t)]; \
 424         STATIC_ASSERT((size) >= KERN_MINSTACKSIZE);
 425
 426 /* Memory fill codes to help debugging */
 427 #if CONFIG_KERN_MONITOR
 428         #include <cpu/types.h>
 429         #if (SIZEOF_CPUSTACK_T == 1)
 430                 /* 8bit cpu_stack_t */
 431                 #define CONFIG_KERN_STACKFILLCODE  0xA5
 432                 #define CONFIG_KERN_MEMFILLCODE    0xDB
 433         #elif (SIZEOF_CPUSTACK_T == 2)
 434                 /* 16bit cpu_stack_t */
 435                 #define CONFIG_KERN_STACKFILLCODE  0xA5A5
 436                 #define CONFIG_KERN_MEMFILLCODE    0xDBDB
 437         #elif (SIZEOF_CPUSTACK_T == 4)
 438                 /* 32bit cpu_stack_t */
 439                 #define CONFIG_KERN_STACKFILLCODE  0xA5A5A5A5UL
 440                 #define CONFIG_KERN_MEMFILLCODE    0xDBDBDBDBUL
 441         #elif (SIZEOF_CPUSTACK_T == 8)
 442                 /* 64bit cpu_stack_t */
 443                 #define CONFIG_KERN_STACKFILLCODE  0xA5A5A5A5A5A5A5A5ULL
 444                 #define CONFIG_KERN_MEMFILLCODE    0xDBDBDBDBDBDBDBDBULL
 445         #else
 446                 #error No cpu_stack_t size supported!
 447         #endif
 448 #endif
 449 /** \} */ //defgroup kern_proc
 450
 451 #endif /* KERN_PROC_H */