nsh中的工具

ps命令的使用与内部机制

ps命令的作用是“report a snapshot of the current processes”：报告当前时刻各个进程的快照，即显示当前时刻各个进程的状态。

配置和使用

要想使用ps命令的更多功能，可以如下配置：

# 不配置 CONFIG_SCHED_CPULOAD_NONE,

# 不配置 CONFIG_NSH_DISABLE_PSSTACKUSAGE

# 不配置 CONFIG_FS_PROCFS_EXCLUDE_CPULOAD

# 不配置 CONFIG_NSH_DISABLE_PSHEAPUSAGE

CONFIG_FS_PROCFS=y

CONFIG_SCHED_CPULOAD_SYSCLK=y

CONFIG_MM_BACKTRACE=8

CONFIG_STACK_COLORATION=y

ps命令的用法为：

ps [-heap] [pid1 pid2 ...]

可以执行这样的命令：

ps # 查看所有线程状态

ps -heap # 查看所有线程状态，包括它们使用堆的信息

ps 12 # 查看PID=12的进程的状态

ps -heap 12 # 查看PID=12的进程的状态，包括它堆的信息

示例：


字段	含义说明	示例值（对应PID=12的进程）
PID	进程/任务ID，系统中唯一标识一个任务的编号。	12 → 该任务的ID是12。
GROUP	进程组ID，用于进程组管理（通常与PID相同，除非有特殊分组）。	12 → 进程组ID为12。
CPU	任务当前运行的CPU核心（多核系统中有效，单核系统中通常为0）。	单核系统，无特定CPU核心标识。
PRI	任务优先级，数值越大优先级越高（NuttX中通常范围0-255）。	100 → 优先级为100，属于中等偏上优先级。
POLICY	调度策略：- RR：时间片轮转调度（Round-Robin）- FIFO：先进先出调度	RR → 采用时间片轮转调度，多个同优先级任务轮流执行。
TYPE	任务类型：- Task：普通任务 - KThread：内核线程	Task → 该进程是用户态普通任务。
NPX	未使用的协处理器数量（通常为 -）。	- → 无协处理器使用。
STATE	任务当前状态：- Waiting：等待状态（等待事件/信号）- Running：运行中	Waiting → 任务正处于等待状态。
EVENT	任务等待的事件类型：- Signal：等待信号 - Sem：等待信号量等	Signal → 任务正在等待一个信号（如sigwait等待信号触发）。
SIGMASK	信号屏蔽字（16进制），表示当前被屏蔽的信号（0表示无屏蔽）。	0000000000000000 → 无任何信号被屏蔽。
HEAP	任务堆的总大小（单位：字节），即该任务可使用的堆内存总量。	00001416 → 堆总大小为0x1416字节（十进制5142字节）。
STACK	任务栈的总大小（单位：字节），即分配给该任务的栈内存总量。	0002016 → 栈总大小为0x2016字节（十进制8214字节）。
USED	堆的已使用大小（单位：字节），即当前已分配的堆内存。	0000448 → 已使用堆内存448字节。
FILLED	栈的填充率（百分比），反映栈的使用紧张程度（接近100%可能栈溢出）。	22.2% → 栈已使用22.2%，剩余空间充足。
CPU	任务累计使用的CPU时间百分比，反映任务的CPU占用率。	0.0% → 几乎未使用CPU时间。
COMMAND	任务对应的命令/程序名。	hello → 该任务是hello程序启动的。

以上图最后一行“hello”程序的信息为例进行解析：

内部机制

ps命令是内嵌命令，对应函数为“cmd_ps”，源码在“apps/nshlib/nsh_proccmds.c”。它从“/proc”目录下获得各个进程/线程的信息，以PID=12的进程为例，可以在“/proc/12”目录下看到如下信息，可以看到ps命令只是读取这些文件并且整理输出：

nsh> ps -heap 12

PID GROUP CPU PRI POLICY TYPE NPX STATE EVENT SIGMASK HEAP STACK USED FILLED CPU COMMAND

 12 --- 100 RR Task - Waiting Signal 0000000000000000 00001416 0002016 0000448 22.2% 0.0% hello

nsh>

nsh> ls /proc/12

/proc/12:

status

cmdline

loadavg

heap

stack

group/

nsh> cat /proc/12/status

Name: hello

Type: Task

Group: 12

CPU: ---

State: Waiting,Signal

Flags: -

Priority: 100

Scheduler: SCHED_RR

SigMask: 0000000000000000

nsh> cat cmdline

hello

nsh> cat heap

AllocSize: 1416

AllocBlks: 19

nsh> cat stack

StackAlloc: 0x416dde78

StackBase: 0x416dde98

StackSize: 2016

StackUsed: 448

nsh>

nsh> cd /proc/12

nsh> ls

/proc/12:

status

cmdline

loadavg

heap

stack

group/

nsh>

nsh> cat status

Name: hello

Type: Task

Group: 12

CPU: ---

State: Waiting,Signal

Flags: -

Priority: 100

Scheduler: SCHED_RR

SigMask: 0000000000000000

nsh>

nsh> cat cmdline

hello

nsh>

nsh> cat loadavg

.0%

nsh>

nsh> cat heap

AllocSize: 1416

AllocBlks: 19

nsh>

nsh> cat stack

StackAlloc: 0x416dde78

StackBase: 0x416dde98

StackSize: 2016

StackUsed: 448

nsh>

nsh> ls group

/proc/12/group:

status

env

ps命令读取“/proc/<PID>”目录下的文件时，导致这个函数被调用：

top命令的使用与内部机制

top 命令用于实时监控系统中任务（进程）的资源占用情况（如 CPU 使用率、内存使用等），类似 Linux 中的 top 命令。

配置和使用

要想使用top命令，可以如下配置：

# 不配置 CONFIG_NSH_DISABLE_TOP

# 不配置 CONFIG_FS_PROCFS_EXCLUDE_CPULOAD

# 不配置 CONFIG_SCHED_CPULOAD_NONE

# 不配置 CONFIG_NSH_DISABLE_PS

CONFIG_FS_PROCFS=y

CONFIG_SCHED_CPULOAD_SYSCLK=y

top命令的用法为：

top [ -n <num> ][ -d <delay>] [ -p <pidlist>] [-h]

“-n <num>”：显示进程数量（CPU占用率最高的num个进程/线程）
“-d <delay>”：指定刷新间隔（单位：秒，支持小数），不指定时默认间隔为3秒
“-p <pidlist>”：指定监控的任务，格式为“top -p 12,13”，PID间用逗号隔开
“-h”：显示帮助信息
按“ctrl+c”退出

示例：

显示的内容跟ps命令是一样的，只不过会根据“CPU”占用率进行动态排序。

内部机制

top命令对应的“apps/nshlib/nsh_proccmds.c”的“cmd_top”函数，流程如下：

openvela堆的内部机制

核心结构体

openvela里，“堆”一开始是一个巨大的“空闲内存块”，应用程序可以使用malloc函数、驱动程序可以使用kmm_malloc函数从里面分配出“指定大小的内存”，使用完毕后再通过free函数、kmm_free函数把它“还回去”。需要说明的是，“kmm_malloc/kmm_free”就是“malloc/free”。

经过多次malloc、free后，堆里会有“多个零散的、未使用的空闲块”、“多个在使用的空闲块”。

openvela的堆算法里，怎么管理这些“未使用的内存块”、“在使用的内存块”？

使用“struct mm_heap_s”结构体来表示“堆”，里面的“struct mm_freenode_s mm_nodelist[MM_NNODES]”是多个链表，每个链表里存放“空闲chunk”（空闲内存块）：

空闲内存块、正在使用的内存块，都被称为“chunk”，chunk由头部的node结构体、紧随其后的内存组成，它们的结构如下：

空闲chunk、被分配出去（被占用）的chunk，它们的头部分别使用这2个结构体来表示：struct mm_freenode_s、struct mm_allocnode_s。代码如下：

堆的算法

openvela的堆算法，核心在于：

使用不同的链表来管理“各个size级别的、空闲的chunk”
比如“struct mm_heap_s”结构体里，使用mm_nodelist[0]链表记录“size >= 2^6, size < 2^7”的chunk；使用mm_nodelist[1]链表记录“size >= 2^7, size < 2^8”的chunk。
并且，这些链表里各个chunk按照从小到大排序
执行malloc(size)时，根据size找到mm_nodelist[x]链表，遍历里面的node，找到最合适的chunk，后面将返回它的数据块的地址；如果mm_nodelist[x]链表为空，还会进入下一级的mm_nodelist[x+1]链表来继续查找
如果这个chunk太大，还要把它拆分：拆分出来的chunk再加入某个mm_nodelist[y]链表
执行free(ptr)时，根据ptr往前确定node结构体，把这个node放回某个mm_nodelist[z]链表
如果这个chunk前面、后面有相邻的chunk，还要合并起来得到新的chunk：因为大小发生了变化，还要重新放入某个mm_nodelist[w]链表

堆的初始化过程情景分析

看视频。

函数调用关系：

nx_start

up_allocate_heap(&heap_start, &heap_size);

kumm_initialize(heap_start, heap_size);

umm_initialize(h,s)

// nuttx/include/nuttx/mm/mm.h

// \# define USR_HEAP g_mmheap

USR_HEAP = mm_initialize_pool("Umem", heap_start, heap_size, NULL);

// \# define mm_initialize_pool(name, heap_start, heap_size, init) \\

// mm_initialize(name, heap_start, heap_size)

// nuttx/mm/mm_heap/mm_initialize.c

mm_initialize

结果如下：

在堆的前面分配了一个“mm_heap_s”结构体，g_mmheap指向它
剩下的内存被分为3个node：开始node（mm_heapstart[0]）、结尾node(mm_heapend[0])、一开始最大的空闲node
mm_heapstart[0]指向第1个内存块的起始位置，意味着mm_heapstart[1]指向第2个内存块，即：openvela可以支持物理上分隔开的多个堆
空闲node被放入链表

malloc过程情景分析

看视频。

函数调用关系：

# APP调用malloc

# 内核/驱动调用 kmm_malloc 也是调用 malloc

// nuttx/mm/umm_heap/umm_malloc.c

malloc

ret = mm_malloc(USR_HEAP, size);

// 难点

alignsize = MM_ALIGN_UP(size + MM_ALLOCNODE_OVERHEAD);

ndx = mm_size2ndx(alignsize);

// 遍历heap-\>mm_nodelist\[ndx\]

// 找到第1个适合的freenode

// 1. 如果大小差不多

// 把这个freenode从链表中移除

// 2. 如果太大了(拆分出来的空间还大于node头部)

// 拆分出新node

// 把新node放入链表

// 返回node之后的内存

ret = (FAR void \*)((FAR char \*)node + MM_SIZEOF_ALLOCNODE);

// 记录调试信息，比如pid, 序列号seq, backtrace

MM_ADD_BACKTRACE(heap, node);

结果如下：

malloc(size)时，根据size计算链表ndx
遍历g_mmheap->mmnodelist[ndx]，找到合适的freenode
如果这个freenode太大，还要把它拆分：拆分出来的freenode再加入某个mm_nodelist[y]链表
返回“freenode+头部”，就是返回头部后面的buffer给调用者

malloc函数里比较难以理解的是：它会占用下一个node的“preceding”。下一个node的preceding表示物理上相邻的、上一个空闲的chunk的大小。但是当前node已经被占用了，“下一个node的preceding”就没有意义了，那就把它用起来。

free过程情景分析

看视频。

函数调用关系：

# APP调用free

# 内核/驱动调用 kmm_free 也是调用 free

// nuttx/mm/umm_heap/umm_free.c

free

mm_free(USR_HEAP, mem);

mm_delayfree(heap, mem, CONFIG_MM_FREE_DELAYCOUNT_MAX \> 0);

// 如果配置了CONFIG_MM_FREE_DELAYCOUNT_MAX

// 就加入delaylist后面再真正释放

// 以后delaylist里累加的node数 \>= CONFIG_MM_FREE_DELAYCOUNT_MAX

// 就调用free_delaylist执行真正的释放操作

add_delaylist(heap, mem);

// 如果CONFIG_MM_FREE_DELAYCOUNT_MAX=0

// 立刻释放

// 1. 根据地址往前推得到node

node = (FAR struct mm_freenode_s *)

((FAR char \*)kasan_reset_tag(mem) - MM_SIZEOF_ALLOCNODE);

nodesize = MM_SIZEOF_NODE(node);

// 2. 先判断next node是否freenode,

// 若是: 把next从链表里移除, 然后合并它们

// 3. 再判断pre node是否freenode

// 若是: 把pre从链表里移除, 然后合并它们

// 4. 放入链表

mm_addfreechunk(heap, node);

memdump和free命令的使用与内部机制

memdump

要想使用memdump命令，可以如下配置：

# 不配置 CONFIG_NSH_DISABLE_MEMDUMP

CONFIG_DEBUG_FEATURES=y

CONFIG_DEBUG_MM=y

使用memdump命令来查看堆的使用情况，用法如下：

nsh> cat /proc/memdump

usage: <used/free/orphan/biggest/on/off/leak/pid> <seqmin> <seqmax>

used: dump all allocated node

free: dump all free node

orphan: dump allocated free neighbored node

biggest: dump allocated top n node

on/off: set backtrace enabled state

leak: dump all leaked node

pid: dump pid allocated node

更详细的用法看下表：

<table> <colgroup> <col style="width: 33%" /> <col style="width: 38%" /> <col style="width: 28%" /> </colgroup> <tbody> <tr class="odd"> <td>memdump命令</td> <td>/proc/memdump文件</td> <td>说明</td> </tr> <tr class="even"> <td>memdump或memdump used</td>

<td>echo used &gt; /proc/memdump</td>

<td>显示已经分配的内存块</td> </tr> <tr class="odd"> <td>memdump free</td>

<td>echo free &gt; /proc/memdump</td>

<td>显示空闲的内存块</td> </tr> <tr class="even"> <td>memdump orphan</td>

<td>echo orphan &gt; /proc/memdump</td>

<td>显示“孤儿”内存块：它是空闲的，但是没有跟相邻的空闲内存块合并起来</td> </tr> <tr class="odd"> <td>memdump biggest</td>

<td>echo biggest &gt; /proc/memdump</td>

<td>列出已经分配的最大的内存块</td> </tr> <tr class="even"> <td>memdump leak</td>

<td>echo leak &gt; /proc/memdump</td>

<td>显示泄漏的内存，就是“分配这块内存的进程已经退出，但是没有调用free释放的内存块”</td> </tr> <tr class="odd"> <td><p>memdump on</p> <p>memdump off</p></td>

<td>echo on&gt; /proc/memdump<br />
echo off&gt; /proc/memdump</td>

<td>启动或关闭堆的“backtrace”功能，这是总开关</td> </tr> <tr class="even">

<td><p>memdump &lt;PID&gt; on</p>
<p>memdump &lt;PID&gt; off</p></td>
<td>echo “PID on” &gt; /proc/memdump<br />
echo “PID off” &gt; /proc/memdump</td>

<td>启动或关闭某个进程的堆的“backtrace”功能</td> </tr> <tr class="odd"> <td><p>所有的命令，</p> <p>都可以加上“<seqmin> <seqmax>”</p> <p>比如：</p> <p>memdump used 123 788</p></td>

<td>echo “used 123 788” &gt; /proc/memdump</td>

<td>每次调用malloc，都会记录“这是第几次调用”，这个数字就是seq。每个分配出去的内存块都有seq，可以指定要显示的seq范围。</td> </tr> </tbody> </table>

free

要想使用free命令，可以如下配置：

# 不配置 CONFIG_NSH_DISABLE_FREE

直接执行free命令即可：

nsh> free

total used free maxused maxfree nused nfree name

959896100 961604 958934496 986320 958925080 968 10 Umem

它就是读取“/proc/meminfo”并显示出来。

内部机制

内部机制都是遍历堆里面的所有node，统计信息、打印：

以“memdump used”命令为例，涉及的调用过程如下：

写“/proc/memdump”文件时，涉及如下调用：

“ctrl+?”命令的使用与内部机制

注意：“Ctrl+?”里的问号，可以表示很多字符。Ctrl加上不同的字符代表一些特殊字符。通过串口发送一些特殊字符给开发板，可以触发一些事情。

可见 ASCII 字符的编码范围是 0x20（十进制 32）到 0x7E（十进制 126），共 95 个字符。对于编码值小于0x20的特殊字符，可以使用Ctrl和字母产生，规则是：可见字符（大写）的ASCII码是m，Ctrl+这个可见字符的编码就是“m-64”。

比如“C”的ASCII码是0x43，那么Ctrl+C的编码就是0x03。

这些特殊编码可以用来进行一些控制，如下表（参考“nuttx/drivers/serial/Kconfig”）：

<table> <colgroup> <col style="width: 13%" /> <col style="width: 13%" /> <col style="width: 37%" /> <col style="width: 36%" /> </colgroup> <tbody> <tr class="odd"> <td>Ctrl+?</td> <td>ASCII码</td> <td>配置项</td> <td>作用</td> </tr> <tr class="even"> <td>Ctrl+C</td> <td>0x03</td> <td><p>CONFIG_TTY_SIGINT=y</p> <p>CONFIG_TTY_SIGINT_CHAR=0x03</p></td> <td>向当前进程发出SIGINT信号</td> </tr> <tr class="odd"> <td>Ctrl+D</td> <td>0x04</td> <td><p>CONFIG_TTY_SIGINT=y</p> <p>CONFIG_TTY_SIGINT_CHAR=0x04</p></td> <td>向当前进程发出SIGINT信号</td> </tr> <tr class="even"> <td>Ctrl+R</td> <td>0x12</td> <td><p>CONFIG_TTY_LAUNCH=y</p> <p>CONFIG_TTY_LAUNCH_CHAR=0x12</p></td> <td><p>创建线程，线程由下面2个配置项指定：</p> <p>CONFIG_TTY_LAUNCH_ENTRYNAME</p> <p>CONFIG_TTY_LAUNCH_ENTRYPOINT</p></td> </tr> <tr class="odd"> <td>Ctrl+Z</td> <td>0x1a</td> <td><p>CONFIG_TTY_SIGTSTP=y</p> <p>CONFIG_TTY_SIGTSTP_CHAR=0x1a</p></td> <td>向当前进程发出SIGTSTP信号</td> </tr> <tr class="even"> <td>Ctrl+“-”</td> <td>0x1F</td> <td><p>CONFIG_TTY_FORCE_PANIC=y</p> <p>CONFIG_TTY_FORCE_PANIC_CHAR=0x1F</p></td> <td>让系统崩溃（panic），这是为了打印当前系统栈信息等</td> </tr> </tbody> </table>

配置和使用：让系统崩溃

要想使用组合键让系统崩溃，可以如下配置：

CONFIG_TTY_FORCE_PANIC=y # 使能这个功能

CONFIG_TTY_FORCE_PANIC_CHAR=0x1F # 指定特殊字符

CONFIG_TTY_FORCE_PANIC_REPEAT_COUNT=3 # 收到几次才触发PANIC

内部机制

参考文件“docs/zh-cn/device_dev_guide/driver/bus_driver/UART/UART.md”：

对于本课程使用的开发板，流程如下：

// vendor/allwinnertech/chips/r528/r528_serial.c

uart_interrupt

// nuttx/drivers/serial/serial_io.c

uart_recvchars

// nuttx/drivers/serial/serial.c

uart_check_special

串口接收中断函数里，最终会调用“uart_check_special”函数来检查有没有收到特殊字符，如果收到则如下处理：

其他命令

几个常用命令用法如下：

nsh> help mb

mb usage: mb <hex-address>[=<hex-value>] [<hex-byte-count>]

nsh> help mh

mh usage: mh <hex-address>[=<hex-value>] [<hex-byte-count>]

nsh> help mw

mw usage: mw <hex-address>[=<hex-value>] [<hex-byte-count>]

nsh> help hexdump

hexdump usage: hexdump <file or device> [skip=<bytes>] [count=<bytes>]

nsh> help pidof

pidof usage: pidof <name>

“mb/mh/mw”命令，分别用来以“字节/半字(2字节)/字(4字节)”为单位读取或写如某个地址。

示例如下：

nsh> mb 40000000 # 读0x40000000地址数据，读1个字节

0x40000000 = 0x67 # 值为0x67

nsh> mb 40000000=77 # 写0x40000000地址，写1个字节，数值为0x77

0x40000000 = 0x67 -> 0x77

nsh> mb 40000000 # 读出验证

0x40000000 = 0x77

nsh> mb 40000000 2 # 从0x40000000开始读2个字节

0x40000000 = 0x77

0x40000001 = 0x45

“hexdump”明白可以用来读取文件或驱动程序，“skip=N”表示跳过前面N字节，“count=M”表示读取M字节。比如：

nsh> hexdump /data/1.wav count=10

/data/1.wav at 00000000:

0000: 52 49 46 46 c6 29 00 00 57 41 RIFF.)..WA

“pidof”用来列出指定名字的进程，比如：

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内部机制​

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堆的算法​

堆的初始化过程情景分析​

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memdump和free命令的使用与内部机制​

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memdump和free命令的使用与内部机制

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