FreeRTOS系列第5篇---FreeRTOS在Cortex-M3上的移植

李肖遙 2020-05-30 00:00

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FreeRTOS下載包的文件結(jié)構(gòu)

在FreeRTOS官方網(wǎng)站可以下載到最新版的FreeRTOS包，我這里使用的是V8.2.3版本。

下載包內(nèi)的總文件數(shù)量多的令人生畏，但文件結(jié)構(gòu)卻很簡潔。《FreeRTOS入門指南》一文的第3節(jié)詳細(xì)描述了下載包文件結(jié)構(gòu)，我們這里只是簡單提一下。

下載包根目錄下包含兩個子目錄：FreeRTOS和FreeRTOS-Plus。其中，F(xiàn)reeRTOS-Plus文件夾中包含一些FreeRTOS+組件和演示例程（組件大都收費(fèi)），我們不對這個文件夾下的內(nèi)容多做了解，重點說一下FreeRTOS文件夾。

FreeRTOS文件夾下包含兩個子目錄：Demo和Source。其中，Demo包含演示例程的工程文件，Source包含實時操作系統(tǒng)源代碼文件。

FreeRTOS實時操作系統(tǒng)內(nèi)核僅包含三個必要文件，此外還有三個可選文件。RTOS核心代碼位于三個源文件中，分別是tasks.c、queue.c和list.c。這三個文件位于FreeRTOS/Source目錄下，在同一目錄下還有3個可選的文件，叫做timers.c、event_groups.c和croutine.c，分別用于軟件定時器、事件組和協(xié)程。

對于支持的處理器架構(gòu)，RTOS需要一些與處理器架構(gòu)相關(guān)的代碼。可以稱之為RTOS硬件接口層，它們位于FreeRTOS/Source/Portable/[相應(yīng)編譯器]/[相應(yīng)處理器架構(gòu)] 文件夾下。我們這次要移植到Cortex-M3微控制，使用Keil MDK編譯器，所以需要的RTOS硬件接口代碼位于：FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3文件夾下。

堆棧分配也是屬于硬件接口層（移植層），在FreeRTOS/Source/portable/MemMang文件夾下具有各種類型的堆棧分配方案。這里我們使用heap_1.c提供的堆棧分配方案。關(guān)于FreeRTOS的內(nèi)存管理，后續(xù)《FreeRTOS內(nèi)存管理》一文中會詳細(xì)介紹FreeRTOS內(nèi)存管理的特性和用法，《FreeRTOS內(nèi)存管理分析》一文會從源碼級別分析FreeRTOS內(nèi)存管理的具體實現(xiàn)，這里不用多糾結(jié)，你也可以快速的瀏覽一下這兩篇文章，里面或許有許多不懂的，但不要著急，先放過它們。

FreeRTOS文件夾下的Demo文件夾中還包括各種演示例程，涉及多種架構(gòu)的處理器以及多種編譯器。FreeRTOS/Demo/Common/Minimal文件夾下的演示例程代碼中，絕大部分對所有移植硬件接口都是適用的。FreeRTOS/Demo/Common/Full文件夾下的代碼屬于歷史遺留代碼，僅用于PC移植層。

移植前的一些準(zhǔn)備

一塊具有Cortex-M3微處理器的硬件板子，并且保證板子可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。下載FreeRTOS程序包（《FreeRTOS歷史版本更新記錄》一文中有下載地址，這是我在CSDN下載頻道做的鏡像文件。如果你能忍受下載網(wǎng)速慢，也可以去官方網(wǎng)站下載。）下載CMSIS-M3，其實主要是需要里面的core_cm3.h文件（可以去ARM官方下載，如果你安裝了keil 5或比較新的Keil 4 MDK編譯器，在目錄：Keil\ARM\CMSIS文件夾下也可以找到）

移植過程

添加RTOS核心代碼

將tasks.c、queue.c和list.c這三個內(nèi)核代碼加入工程，將port.c和heap_1.c這兩個與處理器相關(guān)代碼加入工程。port.c位于FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3文件夾下，heap_1.c位于FreeRTOS/Source/portable/MemMang文件夾下。

添加頭文件路徑

...\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3
...\FreeRTOS\Source\include

編寫FreeRTOSConfig.h文件

對于剛接觸FreeRTOS的用戶來說，最簡單方法是找一個類似的Demo工程，復(fù)制該工程下的FreeRTOSConfig.h文件，在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。詳細(xì)的配置說明將在后續(xù)《FreeRTOS內(nèi)核配置說明》一文中給出，這里依然不必糾結(jié)。

編寫一些鉤子函數(shù)

如果你在FreeRTOSConfig.h中設(shè)置了「configUSE_TICK_HOOK=1」，則必須編寫voidvApplicationTickHook( void )函數(shù)。該函數(shù)利用時間片中斷，可以很方便的實現(xiàn)一個定時器功能。詳見后續(xù)文章《FreeRTOS內(nèi)核配置說明》有關(guān)宏configUSE_TICK_HOOK一節(jié)。

如果你在FreeRTOSConfig.h中設(shè)置了「configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW=1或=2」，則必須編寫voidvApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle pxTask, signed char *pcTaskName )函數(shù)，該函數(shù)用于檢測堆棧溢出，詳見后續(xù)文章《FreeRTOS內(nèi)核配置說明》有關(guān)宏configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW一節(jié)。

檢查硬件

為了驗證你的硬件板子是否可靠的工作，首先編寫一個小程序片，比如閃爍一個LED燈或者發(fā)送一個字符等等，我們這里使用UART發(fā)送一個字符。代碼如下所示（假設(shè)你已經(jīng)配置好了啟動代碼，并正確配置了UART）：

 #include"task.h"
 #include"queue.h"
 #include"list.h"
 #include"portable.h"
 #include"debug.h"

 int main(void)
 {
     init_rtos_debug();           //初始化調(diào)試串口
     MAP_UARTCharPut('A');        //發(fā)送一個字符
     while(1);
 }

如果硬件可以正常發(fā)送字符，說明硬件以及啟動代碼OK，可以進(jìn)行下一步。

掛接中斷

在Cortex-M3硬件下，F(xiàn)reeRTOS使用SysTick作為系統(tǒng)節(jié)拍時鐘，使用SVC和PendSVC進(jìn)行上下文切換。異常中斷服務(wù)代碼位于port.c文件中，F(xiàn)reeRTOS的作者已經(jīng)為各種架構(gòu)的CPU寫好了這些代碼，可以直接拿來用，需要用戶做的，僅僅是將這些異常中斷入口地址掛接到啟動代碼中。

在startup.s中，使用IMPORT關(guān)鍵字聲明要掛接的異常中斷服務(wù)函數(shù)名，然后將：

 DCD     SVC_Handler            換成：DCD     vPortSVCHandler
 DCD     PendSV_Handler         換成：DCD     xPortPendSVHandler
 DCD     SysTick_Handler        換成：DCD     xPortSysTickHandler

建立第一個任務(wù)Task

在步驟3.5中，我們?yōu)榱藴y試硬件是是否能夠工作，編寫了一個發(fā)送字符的小函數(shù)，這里我們將把這個小函數(shù)作為我們第一個任務(wù)要執(zhí)行的主要代碼：每隔1秒鐘，發(fā)送一個字符。代碼如下所示：

voidvTask(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        MAP_UARTCharPut(0x31);
        vTaskDelay(1000/portTICK_RATE_MS);
    }
}

FreeRTOS的任務(wù)以及編寫格式將在后續(xù)文章《FreeRTOS任務(wù)概述》一文中詳述，這里只是一個很簡單的任務(wù)，先有有大體印象。這里面有一個API函數(shù)vTaskDelay()，這個函數(shù)用于延時，具體用法將在后續(xù)文章《FreeRTOS任務(wù)控制》一文中詳細(xì)介紹，延時函數(shù)代碼級分析將在《FreeRTOS高級篇10---系統(tǒng)節(jié)拍時鐘分析》。這里不必在意太多的未知情況，因為后面會一點點將這些未知空間探索一遍的。

設(shè)置節(jié)拍時鐘

這里我們使用SysTick定時器作為系統(tǒng)的節(jié)拍時鐘，設(shè)定每隔10ms產(chǎn)生一次節(jié)拍中斷。由于FreeRTOS對移植做了非常多的工作，以至于我們只需要在FreeRTOSConfig.h中配置好以下兩個宏定義即可：

configCPU_CLOCK_HZ (/ 你的硬件平臺CPU系統(tǒng)時鐘，F(xiàn)cclk/)
configTICK_RATE_HZ ((portTickType)100) 第一個宏定義CPU系統(tǒng)時鐘，也就是CPU執(zhí)行時的頻率。第二個宏定義FreeRTOS的時間片頻率，這里定義為100，表明RTOS一秒鐘可以切換100次任務(wù)，也就是每個時間片為10ms。

在prot.c中，函數(shù)vPortSetupTimerInterrupt()設(shè)置節(jié)拍時鐘。該函數(shù)根據(jù)上面的兩個宏定義的參數(shù)，計算SysTick定時器的重裝載數(shù)值寄存器，然后設(shè)置SysTick定時器的控制及狀態(tài)寄存器，設(shè)置如下：使用內(nèi)核時鐘源、使能中斷、使能SysTick定時器。另外，函數(shù)vPortSetupTimerInterrupt()由函數(shù)vTaskStartScheduler()調(diào)用，這個函數(shù)用于啟動調(diào)度器。

設(shè)置中斷優(yōu)先級相關(guān)宏

這里特別重要，因為涉及到中斷優(yōu)先級和中斷嵌套。這里先給出基于Cortex-M3硬件（lpc177x_8x系列微控制器）的一個配置例子，在FreeRTOSConfig.h中：

#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
         #defineconfigPRIO_BITS   __NVIC_PRIO_BITS
#else
         #defineconfigPRIO_BITS   5  /*lpc177x_8x微處理器使用優(yōu)先級寄存器的5位*/
#endif

/*設(shè)置內(nèi)核使用的中斷優(yōu)先級*/
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY      ( 31 << (8 - configPRIO_BITS) )

/*定義RTOS可以屏蔽的最大中斷優(yōu)先級，大于這個優(yōu)先級的中斷，不受RTOS控制*/
#defineconfigMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   ( 5<< (8 - configPRIO_BITS) )

后續(xù)文章《FreeRTOS內(nèi)核配置說明》會詳細(xì)介紹這些宏的含義，對于Cortex-M內(nèi)核，后續(xù)文章《Cortex-M內(nèi)核使用FreeRTOS特別注意事項》一文，會講述這些宏與硬件的聯(lián)系，那個時候你一定會清楚這些宏所定義的數(shù)字會對你的硬件產(chǎn)生什么影響的。現(xiàn)在，我們只需要知道他們很重要就足夠了，沒人能一口吃成胖子。

設(shè)置其它宏

還需要在FreeRTOSConfig.h設(shè)置一些必要的宏，這些宏如下所示：

#define configUSE_PREEMPTION 1            //配置為1使用搶占式內(nèi)核,配置為0使用時間片
#define configUSE_IDLE_HOOK  0            //設(shè)置為1使用空閑鉤子；設(shè)置為0不使用空閑鉤子
#define configMAX_PRIORITIES      ( 5 )   //應(yīng)用程序任務(wù)中可用優(yōu)先級數(shù)目
#define configUSE_TICK_HOOK       0       //就設(shè)置為1使用時間片鉤子，設(shè)置為0不使用
#define configMINIMAL_STACK_SIZE      ( ( unsigned short ) 80 )     //最小空閑堆棧
#define configTOTAL_HEAP_SIZE         ( ( size_t ) ( 5 * 1024 ) )   //內(nèi)核總共可用RAM

創(chuàng)建任務(wù)

調(diào)用FreeRTOS提供的API函數(shù)來創(chuàng)建任務(wù)，代碼如下所示：

xTaskCreate(vTask,"Task1",50,NULL,1,NULL);

關(guān)于詳細(xì)的創(chuàng)建任務(wù)API函數(shù)，會在后續(xù)文章《FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建和刪除》一文中介紹。

開啟調(diào)度器

調(diào)用FreeRTOS提供的API函數(shù)來啟動調(diào)度器，代碼如下所示：

vTaskStartScheduler();

關(guān)于詳細(xì)的開啟調(diào)度器API函數(shù)，會在后續(xù)文章《FreeRTOS內(nèi)核控制》一文中介紹。此時的main函數(shù)代碼如下所示：

int main(void)
{
   init_rtos_debug();                             //初始化調(diào)試串口

    xTaskCreate(vTask,"Task1",50,NULL,1,NULL);
    vTaskStartScheduler();
    while(1);
 }

小結(jié)

到這里，一個最基本的FreeRTOS應(yīng)用程序就已經(jīng)運(yùn)行起來，將硬件板子接到PC的RS232串口，可以觀察到每隔一秒鐘，板子都會向PC發(fā)送一個指定的字符。

回頭看一下移植過程，F(xiàn)reeRTOS移植到Cortex-M3硬件是多么的簡單，這一方面歸功于FreeRTOS的設(shè)計師已經(jīng)為移植做了大量工作，同時，新一代的Cortex-M3硬件也為操作系統(tǒng)增加了一些列便利特性，比如SysTick定時器和全新的中斷及異常。

但是移植成功也只是萬里長征的第一步，因為這只是最簡單的應(yīng)用。我們還不清楚FreeRTOS背后的機(jī)理、調(diào)度算法的面貌、甚至連信號量也都沒有涉及。就本文的移植過程來看，我們也刻意忽略了很多細(xì)節(jié)，比如FreeRTOSConfig.h文件中的宏都有什么意義？改動后對RTOS有何影響？比如FreeRTOS任務(wù)API的細(xì)節(jié)、調(diào)度API的細(xì)節(jié)，再比如FreeRTOS的內(nèi)存如何分配？如何進(jìn)行堆棧溢出檢查等等。

所以，先不要沾沾自喜，曲折的道路還遠(yuǎn)沒到來呢。

接下來的很多篇文章會圍繞這個最簡單的移植例程做詳細(xì)的講解，要把本篇文章中刻意隱藏的細(xì)節(jié)一一拿出來。這要一直持續(xù)到我們介紹隊列、信號量、互斥量等通訊機(jī)制為止。

   
    
     
      
       
        
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