多線程嵌入式linux應用程序狀態機設計

Question

問題定義：

我們正在爲運行Linux的工業嵌入式系統設計一個應用程序。

該系統由外部事件驅動。到系統的輸入可以是任何以下的：

1. 很少輸入到系統中的數字IO線的形式（連接 像急停處理器的的GPIO）。
2. 該系統運行一個網絡服務器，允許通過網絡瀏覽器控制系統爲 。
3. 系統運行TCP服務器。任何PC或HMI設備都可以通過TCP/IP發送命令。

系統需要使用Modbus通過UART驅動或控制RS485從站設備。該系統還需要控制少數IO線路，如冷卻器開/關等。我們認爲，狀態機對於定義此應用程序至關重要。核心應用程序應是一個多線程應用程序，它應具備以下線程...

1. 主線程
2. 線程控制RS485奴隸。
3. 線程處理來自Web界面的事件。
4. 處理數字I/O事件的線程。
5. 線程來處理的，我們使用的Pthread條件信號&等待通過TCP/IP（套接字）

對於線程間通信的命令。按照我們的初始設計方法（主線程中的一個狀態機），任何到系統的輸入事件（web或tcp/ip或數字I/O）都應該傳遞給主線程，並且應該與相應的線程進行通信該事件是註定的。典型的情況是通過Web界面獲取RS485從站的狀態。在這種情況下，Web界面線程應該將事件中繼給主線程，主線程將改變狀態，然後將事件傳送到控制RS485從站迴應的線程&。主線程應將響應發送回Web界面線程。

問題：

1. 如果每個線程都有自己的狀態機，從而減少主線程的 複雜性？在這種情況下，我們是否仍然需要 在主線程中擁有狀態機？
2. 任何線程處理輸入事件可以直接與 線程通信，該線程處理繞過主線程的事件？例如 網絡接口線程可以直接與線程 控制RS485從站通信？
3. 使用pthread狀態信號是否正常&等待線程間 通信還是有更好的方法嗎？
4. 如何讓一個線程等待來自外部的事件&響應 來自其他線程？對於例如Web界面線程通常會等待 處理POSIX消息隊列上的事件，以便進行來自Web服務器CGI bin的進程間通信 。 CGI bin通過這個消息隊列將接口線程發送到web 。處理此事件時，Web界面線程將等待來自其他線程的響應。在這種情況下，它無法處理來自網絡界面的任何新事件，直到它完成處理之前的 事件並返回到POSIX消息隊列的等待狀態。

抱歉太大的解釋......我希望我已經以最好的方式提出了我的解釋，讓別人理解和幫助我。

如果需要，我可以提供更多輸入。

Answer 1

我總是試圖處理這樣的需求是使用一個狀態機，由一個'SM'線程運行，這可能是主線程。這個線程在一個'EventQueue'輸入生產者 - 消費者隊列中等待超時。該超時用於運行內部增量隊列，在需要時可以向狀態機提供超時事件。

所有其他線程通過將消息推送到EventQueue來將其事件傳遞給狀態引擎，SM線程以串行方式處理它們。

如果SM中的一個動作例程決定它必須做某事，它不能同步等待任何事情，因此它必須通過將請求消息推送到任何線程/系統可執行的輸入隊列來請求動作。我的消息類（OK，* C中的struct）通常包含一個'command'枚舉，'result'枚舉，一個數據緩衝區指針（在需要傳輸批量數據的情況下），一個錯誤 - 消息指針，（如果沒有錯誤，則返回null），以及允許任何類型的請求異步排隊並返回完整結果（無論成功還是失敗）所需的其他狀態。

這個消息傳遞，一個SM設計是我發現的唯一一個能夠以靈活，可擴展的方式完成這些任務，而不會陷入惡夢世界的死鎖，不受控制的通信以及不可重複的不可逾越的交互。

關於任何設計應該問的第一個問題是'好的，如果有一些奇怪的問題，系統如何調試？'。在我上面的設計中，我可以直接回答：'我們記錄了在SM線程中出隊的所有事件 - 它們都是連續出現的，所以我們始終確切地知道基於它們採取了哪些操作。如果提出任何其他設計，請詢問上述問題，如果沒有立即提供好的答案，它將永遠無法工作。

所以：

1. 如果一個線程，或螺紋子系統，可以使用單獨的狀態機來完成其自身的內部功能，OK，很好。這些SM應該從系統的其他部分看不見。

2. 不！

3. 使用pthread條件信號&等待實現生產者 - 消費者阻塞隊列。

4. 每個線程/子系統一個輸入隊列。所有輸入都以消息的形式進入該隊列。每條消息中的命令/狀態標識消息以及應該如何處理。

BTW，我會100％做到這一點在C++中，除非獵槍在頭:)

Answer 2

我已經實現了最初爲克隆西門子ES122C終端（EC115EC270）寫了一個傳統的嵌入式庫控制器。這個庫和操作系統或多或少包含你描述的內容。原來的硬件是基於80186 CPU。西門子的操作系統，RMOS和我們的FXMOS（不要谷歌它從未發佈過）擁有基本控制器工作所需的所有東西。它具有先佔式多任務處理，任務到任務通信，信號量，定時器和I/O事件，但沒有內存保護。 我把這些東西移植到RaspberryPi（即Linux）上。

我使用pthreads來模擬我們的遺留「任務」，因爲我們沒有內存保護，所以線程在語義上最接近。 其餘的實現繞過epoll API。這意味着所有產生事件的東西。事件發生時，計時器到期，另一個線程發送數據，連接TCP套接字，更改IO引腳狀態等......這要求所有事件源都在文件描述符中進行轉換。 Linux提供了幾個系統調用，它們的確如此： 用於任務任務通信我使用的是經典的Unix管道。 用於定時器事件我使用了timerfd API。用於TCP通信的 我使用普通套接字。 用於串口I/O的簡單打開，正確的設備/dev/???工程。 信號對我來說不是必需的，但Linux在必要時提供'signalfd'。我有epoll_wait纏繞來模擬原來的語義。

我的工作就像一個魅力。

TL; DR

走在epoll的API一個深沉的樣子它做什麼，你可能需要。

編輯：是的，馬丁詹姆斯的建議是非常好的，特別是4.每個線程應該只有在通過epoll_wait等待一個事件的循環。