LTTit:可动态编程的分布式实时操作系统

lttit

lttit 是一个针对单片机多节点设计的实验性操作系统框架。

lttit通过CSC分布式协议栈实现数据包路由、类TCP可靠性和调用远程的方法，通过ccBPF实现动态编程改变运行的程序的逻辑。

”可动态编程的实验性分布式实时操作系统“这个名字太长了，我直接叫lttit为鸟群操作系统了，它的核心特征就是：

1.让多个节点协作形成一个整体

2.支持在运行时动态修改节点的程序逻辑

这个项目诞生的原因就是：我的电子垃圾太多了，为了不浪费，我想把一百块单片机当成一块来用

它大部分组件在Linux中开发，然后被我一个个移植集成到内存只有20KB的单片机上。

当然，20KB完全够用了，毕竟当年unix之父的电脑也就这点内存。

组件

我写了以下九个组件，每个组件你都可以很方便的移植修改，当然，发现了什么bug记得提个issue：

lttit 九大组件

序号	组件名称	功能定位	说明
1	数据结构库	基础容器	红黑树、Radix 树、链表、哈希表、栈、队列等，可独立移植。
2	内存管理库	多种内存分配算法	类 SLOB、红黑树 + 链表分配器、内存池、类 SLAB，适配小内存 MCU。
3	RTOS 内核	实时调度与任务管理	RT（红黑树）+ BE（位图 + 链表）双调度；支持信号量、互斥锁、消息队列、读写锁、定时器等。
4	文件系统	基本文件操作	支持 inode、目录、读写、同步等。
5	Shell	命令行交互	可扩展的 shell，支持本地命令与远程命令。
6	微型编辑器（svim）	文件编辑	类 vim 的轻量编辑器，支持基本编辑操作。
7	TCP/IP 协议栈	网络通信	实现基本功能以配合 CSC。
8	分布式协议栈 CSC	多节点通信与协作	CCNET：路由层（Dijkstra）； SCP：轻量流控协议（连接管理、重传、窗口、保活）； CCRPC：远程调用（自动代码生成）。
9	ccBPF（编译器 + BPF VM）	动态编程能力	类 eBPF 的 C 子集编译器 + BPF 虚拟机，支持运行时注入逻辑、map 全局状态、可扩展 builtin。

多说无益，不如看看我使用这些组件实现的一个demo吧。

试一试！

这个demo主要是：把两块单片机连接，实现远程互相调用对方的代码，查看对方的内存、线程运行情况什么的。

同时，可以对非本地节点注入本地编写的c语言子集代码，实现动态改变对方的运行逻辑的功能。

DEMO

硬件准备

stm32f103c8t6最小系统板两块就行，下载器一块，串口模块一个，几根杜邦线，再加上一块面包板就行。

接线

两块单片机，分为节点nodeA和nodeB。

串口模块连接我们的电脑，使用串口助手mabaxterm即可。

然后这样接线：

pc和nodeA：

PC（USB‑TTL 模块）	NodeA（STM32F103C8T6）
TX	PA10（USART1_RX）
RX	PA9（USART1_TX）
GND	GND
5V（可选）	5V

TX与RX 交叉连接,波特率建议：115200

nodeA和nodeB

NodeA（USART2）	NodeB（USART1）
PA2（USART2_TX）	PA10（USART1_RX）
PA3（USART2_RX）	PA9（USART1_TX）
GND	GND

同样是 TX ↔ RX 交叉连接，两块板必须共地。

拉取工程

你可以去我的GitHub下载对应的demo工程，使用clion打开，进行配置然后编译。

分别打开nodeA和nodeB的工程后，让我们烧录程序到单片机中。

我们可以在mabaxterm中通过shell对我们的节点进行操作，比如：打开文件并且编辑、使用remote命令查看非本地节点的内存使用状况，远程调用ls命令查看远程节点目录下的文件。

远程操作

我在这里实现了一个shell命令，可以让单片机nodeA读取单片机nodeB的hello.c文件内容并且返回，然后nodeA的串口打印出这些内容.

很多人可能会觉得我用了什么单片机特性，其实就是很简单的过程，双方定义了RPC（远程调用）方法，nodeA发送消息到nodeB，nodeB看到后解析，然后执行解析出来的命令，再把文件内容封装为消息，通过CSC协议栈发送给nodeA，然后nodeA打印：

ccBPF

ccBPF是我受到Linux近几年新流行的技术eBPF启发而创作的组件，我们可以动态编辑节点的程序逻辑，而无需反复烧录。

由于stm32f103c8t6的内存实在是太小了，20KB还是有点不够，因此我不得不先使用nodeA跑ccBPF和文件系统，把我们的c子集程序进行编译，然后存入文件系统中，再重新跑我们的分布式组件，从文件系统中读取内容，然后远程注入到nodeB中。

它支持基本的c子集语法，有map这些全局状态操作，而且非常容易更改，你可以把你自己的本地函数添加到编译器中，这样，你就可以使用本地的函数了。

比如说，你想实现分布式计算，那么，你可以先在单片机中实现矩阵基本运算，更改一下编译器和虚拟机，把对应的运算函数加入到解析中，你在远程编程时，就可以使用这些函数了。

编译器和虚拟机仅仅是把这些函数看成一个符号，虚拟机执行时，会直接执行你自己定义的函数。

所以，从另一个方面来说，ccBPF其实比eBPF要强大很多，因为用户可以自由动态编程。

好了，看看我们的ccBPF的demo吧：

两大核心

整个操作系统的两大核心是分布式协议栈CSC和动态编程组件ccBPF。

CSC将不同的节点纳入体系内，提供对外的能力。

ccBPF动态更改运行节点的程序逻辑，比如换一种防火墙、换一种流量限速策略，甚至是：换一种调度策略。

可以把分布式协议看成一个发射器，动态更改目标节点的程序逻辑。

整个操作系统其实可以作为一个动态可编程平面的雏形。

极简与模块化设计

我遵循的是极简与模块化设计，在我看来，大部分项目，理解百分之二的代码就可以理解整个系统的运行。

很多知名的开源项目，虽然代码洋洋洒洒写了数万行，其实核心就一千来行，如果追求最简与能跑，几百行代码就可以写一个最小核心出来了。

我写的以上的所有组件，总代码量一万多行吧。

每个组件都是单独开发，可以在单片机上独运行的，你想要移植的话，复制粘贴一下，写一下接口就行了。

分布式

整个操作系统与其说是一个os，不如说像框架，你可以让编译器跑在Linux上，让文件系统跑在另一个单片机上甚至是PC上，每个组件都可以运行在不同的硬件上。

每个组件都不是一个分布式操作系统，但是当这些运行在Linux上、运行在单片机上的组件开始交互时，真正的分布式实时操作系统便从中显现。

可编程平面与分布式计算

我甚至在思考，其实可以分解任务，分发计算逻辑到不同的节点。

当然，我只是在嵌入式单片机上提供一个分布式编程平台，至于在上面开发应用则不是我的事情。

好的，就到这里吧，欢迎使用lttit，遇到问题，欢迎反馈。

如果你想在自己的作品中使用lttit，我很乐意为你解决lttit使用相关的问题。

参考

shell和编辑器由于只是交互外壳，红黑树、radix树、哈希表这些参考教科书和开源的实现比较多，由于是通用设计，就不过多说明了。

主要参考：

1.RTOS内核参考：FreeRTOS（源码）、Linux内核（代码风格）、QNX（设计理念）、rtems（调度框架设计）

2.内存管理参考：Linux内存管理算法slab、slob等设计

3.TCP/IP协议栈：参考4.4BSD-lite的TCP/IP协议栈，理论参考《TCP/IP详解》

4.CSC三层协议栈：参考4.4BSD-lite协议栈，其中ccRPC参考的是4.4BSD-lite的sun RPC

5.文件系统：参考4.4BSD-lite的unix 文件系统

6.ccBPF：编译器参考龙书，虚拟机参考4.4BSD-lite的BPF虚拟机，Linux内核的eBPF（设计理念）

BSD系列操作系统对我的影响其实是非常深刻的，我个人也非常喜欢FreeBSD的设计，代码非常优雅且模块化。