Remove the idle process.
[bertos.git] / bertos / kern / proc.c
index 4d8a6fb7ba2f8383ef10bd9b0beb4e08bf86eeee..623c1d3fb5d87dba4ceb91b5c35ddcd6f85749c8 100644 (file)
  * invalidate any other reasons why the executable file might be covered by
  * the GNU General Public License.
  *
- * Copyright 2001,2004 Develer S.r.l. (http://www.develer.com/)
- * Copyright 1999,2000,2001 Bernardo Innocenti <bernie@develer.com>
- *
+ * Copyright 2001, 2004 Develer S.r.l. (http://www.develer.com/)
+ * Copyright 1999, 2000, 2001, 2008 Bernie Innocenti <bernie@codewiz.org>
  * -->
  *
- * \brief Simple realtime multitasking scheduler.
- *        Context switching is only done cooperatively.
- *
- * \version $Id$
+ * \brief Simple cooperative multitasking scheduler.
  *
- * \author Bernardo Innocenti <bernie@develer.com>
+ * \author Bernie Innocenti <bernie@codewiz.org>
  * \author Stefano Fedrigo <aleph@develer.com>
  */
 
-
 #include "proc_p.h"
 #include "proc.h"
 
-#include "cfg/cfg_arch.h"  /* ARCH_EMUL */
-#include <cfg/debug.h>
+#include "cfg/cfg_proc.h"
+#define LOG_LEVEL KERN_LOG_LEVEL
+#define LOG_FORMAT KERN_LOG_FORMAT
+#include <cfg/log.h>
+
+#include "cfg/cfg_monitor.h"
+#include <cfg/macros.h>    // ROUND_UP2
 #include <cfg/module.h>
-#include <cfg/macros.h>       /* ABS() */
+#include <cfg/depend.h>    // CONFIG_DEPEND()
 
 #include <cpu/irq.h>
 #include <cpu/types.h>
 #include <cpu/attr.h>
+#include <cpu/frame.h>
 
-#include <mware/event.h>
+#if CONFIG_KERN_HEAP
+       #include <struct/heap.h>
+#endif
 
 #include <string.h>           /* memset() */
 
+#define PROC_SIZE_WORDS (ROUND_UP2(sizeof(Process), sizeof(cpu_stack_t)) / sizeof(cpu_stack_t))
+
 /**
  * CPU dependent context switching routines.
  *
- * \note This function *MUST* preserve also the status of the interrupts.
+ * Saving and restoring the context on the stack is done by a CPU-dependent
+ * support routine which usually needs to be written in assembly.
  */
-EXTERN_C void asm_switch_context(cpustack_t **new_sp, cpustack_t **save_sp);
-EXTERN_C int asm_switch_version(void);
+EXTERN_C void asm_switch_context(cpu_stack_t **new_sp, cpu_stack_t **save_sp);
 
 /*
- * The scheduer tracks ready and waiting processes
- * by enqueuing them in these lists. A pointer to the currently
- * running process is stored in the CurrentProcess pointer.
+ * The scheduer tracks ready processes by enqueuing them in the
+ * ready list.
  *
- * NOTE: these variables are protected by DI/EI locking
+ * \note Access to the list must occur while interrupts are disabled.
  */
-REGISTER Process *CurrentProcess;
-REGISTER List     ProcReadyList;
-
+REGISTER List proc_ready_list;
 
-#if CONFIG_KERN_PREEMPTIVE
 /*
- * The time sharing scheduler forces a task switch when
- * the current process has consumed its quantum.
+ * Holds a pointer to the TCB of the currently running process.
+ *
+ * \note User applications should use proc_current() to retrieve this value.
  */
-uint16_t Quantum;
-#endif
+REGISTER Process *current_process;
 
+/** The main process (the one that executes main()). */
+static struct Process main_process;
 
-/* In Win32 we must emulate stack on the real process stack */
-#if (ARCH & ARCH_EMUL)
-extern List StackFreeList;
-#endif
+#if CONFIG_KERN_HEAP
 
-/** The main process (the one that executes main()). */
-struct Process MainProcess;
+/**
+ * Local heap dedicated to allocate the memory used by the processes.
+ */
+static HEAP_DEFINE_BUF(heap_buf, CONFIG_KERN_HEAP_SIZE);
+static Heap proc_heap;
 
+/*
+ * Keep track of zombie processes (processes that are exiting and need to
+ * release some resources).
+ *
+ * \note Access to the list must occur while kernel preemption is disabled.
+ */
+static List zombie_list;
+
+#endif /* CONFIG_KERN_HEAP */
 
-static void proc_init_struct(Process *proc)
+static void proc_initStruct(Process *proc)
 {
        /* Avoid warning for unused argument. */
        (void)proc;
 
 #if CONFIG_KERN_SIGNALS
        proc->sig_recv = 0;
-#endif
-
-#if CONFIG_KERN_PREEMPTIVE
-       proc->forbid_cnt = 0;
+       proc->sig_wait = 0;
 #endif
 
 #if CONFIG_KERN_HEAP
        proc->flags = 0;
 #endif
+
+#if CONFIG_KERN_PRI
+       proc->link.pri = 0;
+#endif
 }
 
 MOD_DEFINE(proc);
 
 void proc_init(void)
 {
-       LIST_INIT(&ProcReadyList);
+       LIST_INIT(&proc_ready_list);
 
-#if CONFIG_KERN_MONITOR
-       monitor_init();
+#if CONFIG_KERN_HEAP
+       LIST_INIT(&zombie_list);
+       heap_init(&proc_heap, heap_buf, sizeof(heap_buf));
 #endif
-
-       /* We "promote" the current context into a real process. The only thing we have
+       /*
+        * We "promote" the current context into a real process. The only thing we have
         * to do is create a PCB and make it current. We don't need to setup the stack
         * pointer because it will be written the first time we switch to another process.
         */
-       proc_init_struct(&MainProcess);
-       CurrentProcess = &MainProcess;
+       proc_initStruct(&main_process);
+       current_process = &main_process;
 
-       /* Make sure the assembly routine is up-to-date with us */
-       ASSERT(asm_switch_version() == 1);
+#if CONFIG_KERN_MONITOR
+       monitor_init();
+       monitor_add(current_process, "main");
+#endif
        MOD_INIT(proc);
 }
 
 
+#if CONFIG_KERN_HEAP
+
+/**
+ * Free all the resources of all zombie processes previously added to the zombie
+ * list.
+ */
+static void proc_freeZombies(void)
+{
+       Process *proc;
+
+       while (1)
+       {
+               PROC_ATOMIC(proc = (Process *)list_remHead(&zombie_list));
+               if (proc == NULL)
+                       return;
+
+               if (proc->flags & PF_FREESTACK)
+               {
+                       PROC_ATOMIC(heap_freemem(&proc_heap, proc->stack_base,
+                               proc->stack_size + PROC_SIZE_WORDS * sizeof(cpu_stack_t)));
+               }
+       }
+}
+
+/**
+ * Enqueue a process in the zombie list.
+ */
+static void proc_addZombie(Process *proc)
+{
+       Node *node;
+#if CONFIG_KERN_PREEMPT
+       ASSERT(!proc_preemptAllowed());
+#endif
+
+#if CONFIG_KERN_PRI
+       node = &(proc)->link.link;
+#else
+       node = &(proc)->link;
+#endif
+       LIST_ASSERT_VALID(&zombie_list);
+       ADDTAIL(&zombie_list, node);
+}
+
+#endif /* CONFIG_KERN_HEAP */
+
 /**
  * Create a new process, starting at the provided entry point.
  *
+ *
+ * \note The function
+ * \code
+ * proc_new(entry, data, stacksize, stack)
+ * \endcode
+ * is a more convenient way to create a process, as you don't have to specify
+ * the name.
+ *
  * \return Process structure of new created process
  *         if successful, NULL otherwise.
  */
-struct Process *proc_new_with_name(UNUSED(const char *, name), void (*entry)(void), iptr_t data, size_t stacksize, cpustack_t *stack_base)
+struct Process *proc_new_with_name(UNUSED_ARG(const char *, name), void (*entry)(void), iptr_t data, size_t stack_size, cpu_stack_t *stack_base)
 {
        Process *proc;
-       size_t i;
-       size_t proc_size_words = ROUND2(sizeof(Process), sizeof(cpustack_t)) / sizeof(cpustack_t);
+       LOG_INFO("name=%s", name);
 #if CONFIG_KERN_HEAP
        bool free_stack = false;
-#endif
 
-#if (ARCH & ARCH_EMUL)
-       /* Ignore stack provided by caller and use the large enough default instead. */
-       stack_base = (cpustack_t *)LIST_HEAD(&StackFreeList);
-       REMOVE(LIST_HEAD(&StackFreeList));
-       stacksize = CONFIG_PROC_DEFSTACKSIZE;
-#elif CONFIG_KERN_HEAP
+       /*
+        * Free up resources of a zombie process.
+        *
+        * We're implementing a kind of lazy garbage collector here for
+        * efficiency reasons: we can avoid to introduce overhead into another
+        * kernel task dedicated to free up resources (e.g., idle) and we're
+        * not introducing any overhead into the scheduler after a context
+        * switch (that would be *very* bad, because the scheduler runs with
+        * IRQ disabled).
+        *
+        * In this way we are able to release the memory of the zombie tasks
+        * without disabling IRQs and without introducing any significant
+        * overhead in any other kernel task.
+        */
+       proc_freeZombies();
+
        /* Did the caller provide a stack for us? */
        if (!stack_base)
        {
                /* Did the caller specify the desired stack size? */
-               if (!stacksize)
-                       stacksize = CONFIG_PROC_DEFSTACKSIZE + sizeof(Process);
+               if (!stack_size)
+                       stack_size = KERN_MINSTACKSIZE;
 
                /* Allocate stack dinamically */
-               if (!(stack_base = heap_alloc(stacksize)))
+               PROC_ATOMIC(stack_base =
+                       (cpu_stack_t *)heap_allocmem(&proc_heap, stack_size));
+               if (stack_base == NULL)
                        return NULL;
 
                free_stack = true;
        }
-#else
+
+#else // CONFIG_KERN_HEAP
+
        /* Stack must have been provided by the user */
-       ASSERT(stack_base);
-       ASSERT(stacksize);
-#endif
+       ASSERT_VALID_PTR(stack_base);
+       ASSERT(stack_size);
+
+#endif // CONFIG_KERN_HEAP
 
 #if CONFIG_KERN_MONITOR
-       /* Fill-in the stack with a special marker to help debugging */
-       memset(stack_base, CONFIG_KERN_STACKFILLCODE, stacksize / sizeof(cpustack_t));
+       /*
+        * Fill-in the stack with a special marker to help debugging.
+        * On 64bit platforms, CONFIG_KERN_STACKFILLCODE is larger
+        * than an int, so the (int) cast is required to silence the
+        * warning for truncating its size.
+        */
+       memset(stack_base, (int)CONFIG_KERN_STACKFILLCODE, stack_size);
 #endif
 
        /* Initialize the process control block */
        if (CPU_STACK_GROWS_UPWARD)
        {
-               proc = (Process*)stack_base;
-               proc->stack = stack_base + proc_size_words;
+               proc = (Process *)stack_base;
+               proc->stack = stack_base + PROC_SIZE_WORDS;
+               // On some architecture stack should be aligned, so we do it.
+               proc->stack = (cpu_stack_t *)((uintptr_t)proc->stack + (sizeof(cpu_aligned_stack_t) - ((uintptr_t)proc->stack % sizeof(cpu_aligned_stack_t))));
                if (CPU_SP_ON_EMPTY_SLOT)
                        proc->stack++;
        }
        else
        {
-               proc = (Process*)(stack_base + stacksize / sizeof(cpustack_t) - proc_size_words);
-               proc->stack = (cpustack_t*)proc;
+               proc = (Process *)(stack_base + stack_size / sizeof(cpu_stack_t) - PROC_SIZE_WORDS);
+               // On some architecture stack should be aligned, so we do it.
+               proc->stack = (cpu_stack_t *)((uintptr_t)proc - ((uintptr_t)proc % sizeof(cpu_aligned_stack_t)));
                if (CPU_SP_ON_EMPTY_SLOT)
                        proc->stack--;
        }
+       /* Ensure stack is aligned */
+       ASSERT((uintptr_t)proc->stack % sizeof(cpu_aligned_stack_t) == 0);
 
-       proc_init_struct(proc);
+       stack_size -= PROC_SIZE_WORDS * sizeof(cpu_stack_t);
+       proc_initStruct(proc);
        proc->user_data = data;
 
-#if CONFIG_KERN_HEAP
+#if CONFIG_KERN_HEAP | CONFIG_KERN_MONITOR
        proc->stack_base = stack_base;
        proc->stack_size = stack_size;
+       #if CONFIG_KERN_HEAP
        if (free_stack)
                proc->flags |= PF_FREESTACK;
+       #endif
 #endif
+       proc->user_entry = entry;
+       CPU_CREATE_NEW_STACK(proc->stack);
 
-       /* Initialize process stack frame */
-       CPU_PUSH_CALL_CONTEXT(proc->stack, proc_exit);
-       CPU_PUSH_CALL_CONTEXT(proc->stack, entry);
-
-       /* Push a clean set of CPU registers for asm_switch_context() */
-       for (i = 0; i < CPU_SAVED_REGS_CNT; i++)
-               CPU_PUSH_WORD(proc->stack, CPU_REG_INIT_VALUE(i));
+#if CONFIG_KERN_MONITOR
+       monitor_add(proc, name);
+#endif
 
        /* Add to ready list */
        ATOMIC(SCHED_ENQUEUE(proc));
 
+       return proc;
+}
+
+/**
+ * Return the name of the specified process.
+ *
+ * NULL is a legal argument and will return the name "<NULL>".
+ */
+const char *proc_name(struct Process *proc)
+{
 #if CONFIG_KERN_MONITOR
-       monitor_add(proc, name, stack_base, stacksize);
+       return proc ? proc->monitor.name : "<NULL>";
+#else
+       (void)proc;
+       return "---";
 #endif
+}
 
-       return proc;
+/// Return the name of the currently running process
+const char *proc_currentName(void)
+{
+       return proc_name(proc_current());
 }
 
-/** Rename a process */
+/// Rename a process
 void proc_rename(struct Process *proc, const char *name)
 {
 #if CONFIG_KERN_MONITOR
@@ -235,184 +345,147 @@ void proc_rename(struct Process *proc, const char *name)
 }
 
 
+#if CONFIG_KERN_PRI
 /**
- * System scheduler: pass CPU control to the next process in
- * the ready queue.
+ * Change the scheduling priority of a process.
+ *
+ * Process piorities are signed ints, whereas a larger integer value means
+ * higher scheduling priority.  The default priority for new processes is 0.
+ * The idle process runs with the lowest possible priority: INT_MIN.
+ *
+ * A process with a higher priority always preempts lower priority processes.
+ * Processes of equal priority share the CPU time according to a simple
+ * round-robin policy.
+ *
+ * As a general rule to maximize responsiveness, compute-bound processes
+ * should be assigned negative priorities and tight, interactive processes
+ * should be assigned positive priorities.
  *
- * Saving and restoring the context on the stack is done
- * by a CPU-dependent support routine which must usually be
- * written in assembly.
+ * To avoid interfering with system background activities such as input
+ * processing, application processes should remain within the range -10
+ * and +10.
  */
-void proc_schedule(void)
+void proc_setPri(struct Process *proc, int pri)
 {
-       struct Process *old_process;
-       cpuflags_t flags;
+       if (proc->link.pri == pri)
+               return;
 
-       /* Remember old process to save its context later */
-       old_process = CurrentProcess;
+       proc->link.pri = pri;
 
-#ifdef IRQ_RUNNING
-       /* Scheduling in interrupts is a nono. */
-       ASSERT(!IRQ_RUNNING());
-#endif
+       if (proc != current_process)
+               ATOMIC(sched_reenqueue(proc));
+}
+#endif // CONFIG_KERN_PRI
 
-       /* Poll on the ready queue for the first ready process */
-       IRQ_SAVE_DISABLE(flags);
-       while (!(CurrentProcess = (struct Process *)list_remHead(&ProcReadyList)))
-       {
-               /*
-                * Make sure we physically reenable interrupts here, no matter what
-                * the current task status is. This is important because if we
-                * are idle-spinning, we must allow interrupts, otherwise no
-                * process will ever wake up.
-                *
-                * During idle-spinning, an interrupt can occur and it may
-                * modify \p ProcReadyList. To ensure that compiler reload this
-                * variable every while cycle we call CPU_MEMORY_BARRIER.
-                * The memory barrier ensure that all variables used in this context
-                * are reloaded.
-                * \todo If there was a way to write sig_wait() so that it does not
-                * disable interrupts while waiting, there would not be any
-                * reason to do this.
-                */
-               IRQ_ENABLE;
-               CPU_IDLE;
-               MEMORY_BARRIER;
-               IRQ_DISABLE;
-       }
-       IRQ_RESTORE(flags);
+INLINE void proc_run(void)
+{
+       void (*entry)(void) = current_process->user_entry;
 
+       LOG_INFO("New process starting at %p", entry);
+       entry();
+}
+
+/**
+ * Entry point for all the processes.
+ */
+void proc_entry(void)
+{
        /*
-        * Optimization: don't switch contexts when the active
-        * process has not changed.
+        * Return from a context switch assumes interrupts are disabled, so
+        * we need to explicitly re-enable them as soon as possible.
         */
-       if (CurrentProcess != old_process)
-       {
-               cpustack_t *dummy;
-
-#if CONFIG_KERN_PREEMPTIVE
-               /* Reset quantum for this process */
-               Quantum = CONFIG_KERN_QUANTUM;
-#endif
-
-               /* Save context of old process and switch to new process. If there is no
-                * old process, we save the old stack pointer into a dummy variable that
-                * we ignore. In fact, this happens only when the old process has just
-                * exited.
-                * TODO: Instead of physically clearing the process at exit time, a zombie
-                * list should be created.
-                */
-               asm_switch_context(&CurrentProcess->stack, old_process ? &old_process->stack : &dummy);
-       }
-
-       /* This RET resumes the execution on the new process */
+       IRQ_ENABLE;
+       /* Call the actual process's entry point */
+       proc_run();
+       proc_exit();
 }
 
-
 /**
  * Terminate the current process
  */
 void proc_exit(void)
 {
+       LOG_INFO("%p:%s", current_process, proc_currentName());
+
 #if CONFIG_KERN_MONITOR
-       monitor_remove(CurrentProcess);
+       monitor_remove(current_process);
 #endif
 
+       proc_forbid();
 #if CONFIG_KERN_HEAP
        /*
-        * The following code is BROKEN.
-        * We are freeing our own stack before entering proc_schedule()
-        * BAJO: A correct fix would be to rearrange the scheduler with
-        *  an additional parameter which frees the old stack/process
-        *  after a context switch.
+        * Set the task as zombie, its resources will be freed in proc_new() in
+        * a lazy way, when another process will be created.
         */
-       if (CurrentProcess->flags & PF_FREESTACK)
-               heap_free(CurrentProcess->stack_base, CurrentProcess->stack_size);
-       heap_free(CurrentProcess);
+       proc_addZombie(current_process);
 #endif
+       current_process = NULL;
+       proc_permit();
 
-#if (ARCH & ARCH_EMUL)
-#warning This is wrong
-       /* Reinsert process stack in free list */
-       ADDHEAD(&StackFreeList, (Node *)(CurrentProcess->stack
-               - (CONFIG_PROC_DEFSTACKSIZE / sizeof(cpustack_t))));
-
-       /*
-        * NOTE: At this point the first two words of what used
-        * to be our stack contain a list node. From now on, we
-        * rely on the compiler not reading/writing the stack.
-        */
-#endif /* ARCH_EMUL */
-
-       CurrentProcess = NULL;
-       proc_schedule();
-       /* not reached */
-}
-
-
-/**
- * Co-operative context switch
- */
-void proc_switch(void)
-{
-       cpuflags_t flags;
-
-       IRQ_SAVE_DISABLE(flags);
-       SCHED_ENQUEUE(CurrentProcess);
-       IRQ_RESTORE(flags);
+       proc_switch();
 
-       proc_schedule();
+       /* never reached */
+       ASSERT(0);
 }
 
 
 /**
- * Get the pointer to the current process
+ * Get the pointer to the user data of the current process
  */
-struct Process *proc_current(void)
+iptr_t proc_currentUserData(void)
 {
-       return CurrentProcess;
+       return current_process->user_data;
 }
 
 /**
- * Get the pointer to the user data of the current process
+ * Call the scheduler and eventually replace the current running process.
  */
-iptr_t proc_current_user_data(void)
+void proc_schedule(void)
 {
-       return CurrentProcess->user_data;
-}
-
+       Process *old_process = current_process;
 
-#if CONFIG_KERN_PREEMPTIVE
+       IRQ_ASSERT_DISABLED();
 
-/**
- * Disable preemptive task switching.
- *
- * The scheduler maintains a per-process nesting counter.  Task switching is
- * effectively re-enabled only when the number of calls to proc_permit()
- * matches the number of calls to proc_forbid().
- *
- * Calling functions that could sleep while task switching is disabled
- * is dangerous, although supported.  Preemptive task switching is
- * resumed while the process is sleeping and disabled again as soon as
- * it wakes up again.
- *
- * \sa proc_permit()
- */
-void proc_forbid(void)
-{
-       /* No need to protect against interrupts here. */
-       ++CurrentProcess->forbid_cnt;
-}
+       /* Poll on the ready queue for the first ready process */
+       LIST_ASSERT_VALID(&proc_ready_list);
+       while (!(current_process = (struct Process *)list_remHead(&proc_ready_list)))
+       {
+               /*
+                * Make sure we physically reenable interrupts here, no matter what
+                * the current task status is. This is important because if we
+                * are idle-spinning, we must allow interrupts, otherwise no
+                * process will ever wake up.
+                *
+                * During idle-spinning, an interrupt can occur and it may
+                * modify \p proc_ready_list. To ensure that compiler reload this
+                * variable every while cycle we call CPU_MEMORY_BARRIER.
+                * The memory barrier ensure that all variables used in this context
+                * are reloaded.
+                * \todo If there was a way to write sig_wait() so that it does not
+                * disable interrupts while waiting, there would not be any
+                * reason to do this.
+                */
+               IRQ_ENABLE;
+               CPU_IDLE;
+               MEMORY_BARRIER;
+               IRQ_DISABLE;
+       }
+       /*
+        * Optimization: don't switch contexts when the active process has not
+        * changed.
+        */
+       if (LIKELY(current_process != old_process)) {
+               cpu_stack_t *dummy;
 
-/**
- * Re-enable preemptive task switching.
- *
- * \sa proc_forbid()
- */
-void proc_permit(void)
-{
-       /* No need to protect against interrupts here. */
-       --CurrentProcess->forbid_cnt;
+               /*
+                * Save context of old process and switch to new process. If
+                * there is no old process, we save the old stack pointer into
+                * a dummy variable that we ignore. In fact, this happens only
+                * when the old process has just exited.
+                */
+               asm_switch_context(&current_process->stack,
+                               old_process ? &old_process->stack : &dummy);
+       }
+       /* This RET resumes the execution on the new process */
+       LOG_INFO("resuming %p:%s\n", current_process, proc_currentName());
 }
-
-#endif /* CONFIG_KERN_PREEMPTIVE */