多线程嵌入式linux应用程序状态机设计

Question

问题定义：

我们正在为运行Linux的工业嵌入式系统设计一个应用程序。

该系统由外部事件驱动。到系统的输入可以是任何以下的：

1. 很少输入到系统中的数字IO线的形式（连接 像急停处理器的的GPIO）。
2. 该系统运行一个网络服务器，允许通过网络浏览器控制系统为 。
3. 系统运行TCP服务器。任何PC或HMI设备都可以通过TCP/IP发送命令。

系统需要使用Modbus通过UART驱动或控制RS485从站设备。该系统还需要控制少数IO线路，如冷却器开/关等。我们认为，状态机对于定义此应用程序至关重要。核心应用程序应是一个多线程应用程序，它应具备以下线程...

1. 主线程
2. 线程控制RS485奴隶。
3. 线程处理来自Web界面的事件。
4. 处理数字I/O事件的线程。
5. 线程来处理的，我们使用的Pthread条件信号&等待通过TCP/IP（套接字）

对于线程间通信的命令。按照我们的初始设计方法（主线程中的一个状态机），任何到系统的输入事件（web或tcp/ip或数字I/O）都应该传递给主线程，并且应该与相应的线程进行通信该事件是注定的。典型的情况是通过Web界面获取RS485从站的状态。在这种情况下，Web界面线程应该将事件中继给主线程，主线程将改变状态，然后将事件传送到控制RS485从站回应的线程&。主线程应将响应发送回Web界面线程。

问题：

1. 如果每个线程都有自己的状态机，从而减少主线程的 复杂性？在这种情况下，我们是否仍然需要 在主线程中拥有状态机？
2. 任何线程处理输入事件可以直接与 线程通信，该线程处理绕过主线程的事件？例如 网络接口线程可以直接与线程 控制RS485从站通信？
3. 使用pthread状态信号是否正常&等待线程间 通信还是有更好的方法吗？
4. 如何让一个线程等待来自外部的事件&响应 来自其他线程？对于例如Web界面线程通常会等待 处理POSIX消息队列上的事件，以便进行来自Web服务器CGI bin的进程间通信 。 CGI bin通过这个消息队列将接口线程发送到web 。处理此事件时，Web界面线程将等待来自其他线程的响应。在这种情况下，它无法处理来自网络界面的任何新事件，直到它完成处理之前的 事件并返回到POSIX消息队列的等待状态。

抱歉太大的解释......我希望我已经以最好的方式提出了我的解释，让别人理解和帮助我。

如果需要，我可以提供更多输入。

Answer 1

我总是试图处理这样的需求是使用一个状态机，由一个'SM'线程运行，这可能是主线程。这个线程在一个'EventQueue'输入生产者 - 消费者队列中等待超时。该超时用于运行内部增量队列，在需要时可以向状态机提供超时事件。

所有其他线程通过将消息推送到EventQueue来将其事件传递给状态引擎，SM线程以串行方式处理它们。

如果SM中的一个动作例程决定它必须做某事，它不能同步等待任何事情，因此它必须通过将请求消息推送到任何线程/系统可执行的输入队列来请求动作。我的消息类（OK，* C中的struct）通常包含一个'command'枚举，'result'枚举，一个数据缓冲区指针（在需要传输批量数据的情况下），一个错误 - 消息指针，（如果没有错误，则返回null），以及允许任何类型的请求异步排队并返回完整结果（无论成功还是失败）所需的其他状态。

这个消息传递，一个SM设计是我发现的唯一一个能够以灵活，可扩展的方式完成这些任务，而不会陷入恶梦世界的死锁，不受控制的通信以及不可重复的不可逾越的交互。

关于任何设计应该问的第一个问题是'好的，如果有一些奇怪的问题，系统如何调试？'。在我上面的设计中，我可以直接回答：'我们记录了在SM线程中出队的所有事件 - 它们都是连续出现的，所以我们始终确切地知道基于它们采取了哪些操作。如果提出任何其他设计，请询问上述问题，如果没有立即提供好的答案，它将永远无法工作。

所以：

1. 如果一个线程，或螺纹子系统，可以使用单独的状态机来完成其自身的内部功能，OK，很好。这些SM应该从系统的其他部分看不见。

2. 不！

3. 使用pthread条件信号&等待实现生产者 - 消费者阻塞队列。

4. 每个线程/子系统一个输入队列。所有输入都以消息的形式进入该队列。每条消息中的命令/状态标识消息以及应该如何处理。

BTW，我会100％做到这一点在C++中，除非猎枪在头:)

Answer 2

我已经实现了最初为克隆西门子ES122C终端（EC115EC270）写了一个传统的嵌入式库控制器。这个库和操作系统或多或少包含你描述的内容。原来的硬件是基于80186 CPU。西门子的操作系统，RMOS和我们的FXMOS（不要谷歌它从未发布过）拥有基本控制器工作所需的所有东西。它具有先占式多任务处理，任务到任务通信，信号量，定时器和I/O事件，但没有内存保护。 我把这些东西移植到RaspberryPi（即Linux）上。

我使用pthreads来模拟我们的遗留“任务”，因为我们没有内存保护，所以线程在语义上最接近。 其余的实现绕过epoll API。这意味着所有产生事件的东西。事件发生时，计时器到期，另一个线程发送数据，连接TCP套接字，更改IO引脚状态等......这要求所有事件源都在文件描述符中进行转换。 Linux提供了几个系统调用，它们的确如此： 用于任务任务通信我使用的是经典的Unix管道。 用于定时器事件我使用了timerfd API。用于TCP通信的 我使用普通套接字。 用于串口I/O的简单打开，正确的设备/dev/???工程。 信号对我来说不是必需的，但Linux在必要时提供'signalfd'。我有epoll_wait缠绕来模拟原来的语义。

我的工作就像一个魅力。

TL; DR

走在epoll的API一个深沉的样子它做什么，你可能需要。

编辑：是的，马丁詹姆斯的建议是非常好的，特别是4.每个线程应该只有在通过epoll_wait等待一个事件的循环。