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?!禙reeRTOS入門指南》一文的第3節(jié)詳細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),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:FreeRTOSSourceportableRVDSARM_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),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。
2. 移植前的一些準備
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轉(zhuǎn)。
下載FreeRTOS程序包
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:KeilARMCMSIS文件夾下也可以找到)
3.移植過程
3.1 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FreeRTOSSourceportableRVDSARM_CM3文件夾下,heap_1.c位于FreeRTOS/Source/portable/MemMang文件夾下。
3.2 添加頭文件路徑
。..FreeRTOSSourceportableRVDSARM_CM3
…FreeRTOSSourceinclude
3.3 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,復制該工程下的FreeRTOSConfig.h文件,在這個基礎(chǔ)上進行修改。詳細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)。
3.4 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)。
3.5 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“l(fā)ist.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,可以進行下一步。
3.6 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
3.7 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。
3.8 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。
3.9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。
3.10 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
3.11 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。
3.12 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); }
4. 小結(jié)
到這里,一個最基本的FreeRTOS應(yīng)用程序就已經(jīng)運行起來,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的細節(jié)、調(diào)度API的細節(jié),再比如FreeRTOS的內(nèi)存如何分配?如何進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的講解,要把本篇文章中刻意隱藏的細節(jié)一一拿出來。這要一直持續(xù)到我們介紹隊列、信號量、互斥量等通訊機制為止。
原文標題:FreeRTOS系列第5篇---FreeRTOS在Cortex-M3上的移植
文章出處:【微信公眾號:安芯教育科技】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
責任編輯:haq
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原文標題:FreeRTOS系列第5篇---FreeRTOS在Cortex-M3上的移植
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