FreeRTOS 在STM32上的移植 V1.0

FreeRTOS作為開源的輕量級實(shí)時性操作系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了基本的實(shí)時調(diào)度、信號量、隊(duì)列和存儲管理，而且在商業(yè)應(yīng)用上不需要授權(quán)費(fèi)。

FreeRTOS的實(shí)現(xiàn)主要由list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c 4個文件組成。list.c 是一個鏈表的實(shí)現(xiàn)，主要供給內(nèi)核調(diào)度器使用；queue.c 是一個隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)，支持中斷環(huán)境和信號量控制；croutine.c 和task.c是兩種任務(wù)的組織實(shí)現(xiàn)。對于croutine，各任務(wù)共享同一個堆棧，使RAM的需求進(jìn)一步縮小，但也正因如此，他的使用受到相對嚴(yán)格的限制。而task則是傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，各任務(wù)使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調(diào)度。

FreeRTOS的主要功能可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：
1)優(yōu)先級調(diào)度、相同優(yōu)先級任務(wù)的輪轉(zhuǎn)調(diào)度，同時可設(shè)成可剝奪內(nèi)核或不可剝奪內(nèi)核
2)任務(wù)可選擇是否共享堆棧(co-routines & tasks)，并且沒有任務(wù)數(shù)限制
3)消息隊(duì)列，二值信號量，計(jì)數(shù)信號量，遞歸互斥體
4)時間管理
5)內(nèi)存管理

與UC/OSII一樣，F(xiàn)reeRTOS在STM32的移植大致由3個文件實(shí)現(xiàn)，一個.h文件定義編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型和中斷處理的宏定義；一個.c文件實(shí)現(xiàn)任務(wù)的堆棧初始化、系統(tǒng)心跳的管理和任務(wù)切換的請求；一個.s文件實(shí)現(xiàn)具體的任務(wù)切換。

在本次移植中，使用的編譯軟件為IAR EWARM 5.2。
一、各文件關(guān)鍵部分的實(shí)現(xiàn)：

1、PORTMACRO.H 宏定義部分
1）定義編譯器相關(guān)的各種數(shù)據(jù)類型
#define portCHARchar
#define portFLOATfloat
#define portDOUBLEdouble
#define portLONGlong
#define portSHORTshort
#define portSTACK_TYPEunsigned portLONG
#define portBASE_TYPElong

2）架構(gòu)相關(guān)的定義
Cortex-M3的堆棧增長方向?yàn)楦叩刂废虻偷刂吩鲩L
#define portSTACK_GROWTH( -1 )
每毫秒的心跳次數(shù)
#define portTICK_RATE_MS( ( portTickType ) 1000 / configTICK_RATE_HZ )
訪問SRAM的字節(jié)對齊
#define portBYTE_ALIGNMENT8

3）定義用戶主動引起內(nèi)核調(diào)度的2個函數(shù)
強(qiáng)制上下文切換，用在任務(wù)環(huán)境中調(diào)用
#define portYIELD()vPortYieldFromISR()
強(qiáng)制上下文切換，用在中斷處理環(huán)境中調(diào)用
#define portEND_SWITCHING_ISR( xSwitchRequired ) if( xSwitchRequired ) vPortYieldFromISR()

4）定義臨界區(qū)的管理函數(shù)
中斷允許和關(guān)閉
#define portDISABLE_INTERRUPTS()vPortSetInterruptMask()
#define portENABLE_INTERRUPTS()vPortClearInterruptMask()
臨界區(qū)進(jìn)入和退出
#define portENTER_CRITICAL()vPortEnterCritical()
#define portEXIT_CRITICAL()vPortExitCritical()
用于在中斷環(huán)境的中斷允許和關(guān)閉
#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()0;vPortSetInterruptMask()
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)vPortClearInterruptMask();(void)x

2、PORT.C C接口部分
1）堆棧初始化
portSTACK_TYPE *pxPortInitialiseStack( portSTACK_TYPE *pxTopOfStack, pdTASK_CODE pxCode, void *pvParameters )
{
*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR;/* 程序狀態(tài)寄存器 */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = ( portSTACK_TYPE ) pxCode;/* 任務(wù)的入口點(diǎn) */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = 0;/* LR */
pxTopOfStack -= 5;/* R12, R3, R2 and R1. */
*pxTopOfStack = ( portSTACK_TYPE ) pvParameters;/* 任務(wù)的參數(shù) */
pxTopOfStack -= 8;/* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */
return pxTopOfStack;
}

2）啟動任務(wù)調(diào)度
portBASE_TYPE xPortStartScheduler( void )
{
讓任務(wù)切換中斷和心跳中斷位于最低的優(yōu)先級，使更高優(yōu)先級可以搶占mcu
*(portNVIC_SYSPRI2) |= portNVIC_PENDSV_PRI;
*(portNVIC_SYSPRI2) |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

設(shè)置并啟動系統(tǒng)的心跳時鐘
prvSetupTimerInterrupt();

初始化臨界區(qū)的嵌套的個數(shù)
uxCriticalNesting = 0;

啟動第一個任務(wù)
vPortStartFirstTask();

執(zhí)行到vPortStartFirstTask函數(shù)，內(nèi)核已經(jīng)開始正常的調(diào)度
return 0;
}

3）主動釋放mcu使用權(quán)
void vPortYieldFromISR( void )
{
觸發(fā)PendSV系統(tǒng)服務(wù)中斷，中斷到來時由匯編函數(shù)xPortPendSVHandler()處理
*(portNVIC_INT_CTRL) = portNVIC_PENDSVSET;
}
進(jìn)入臨界區(qū)時，首先關(guān)閉中斷；當(dāng)退出所以嵌套的臨界區(qū)后再使能中斷
void vPortEnterCritical( void )
{
portDISABLE_INTERRUPTS();
uxCriticalNesting++;
}
void vPortExitCritical( void )
{
uxCriticalNesting--;
if( uxCriticalNesting == 0 )
{
portENABLE_INTERRUPTS();
}
}
4）心跳時鐘處理函數(shù)
void xPortSysTickHandler( void )
{
unsigned portLONG ulDummy;

如果是搶占式調(diào)度，首先看一下有沒有需要調(diào)度的任務(wù)
#if configUSE_PREEMPTION == 1
*(portNVIC_INT_CTRL) = portNVIC_PENDSVSET;
#endif

ulDummy = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
{ 通過task.c的心跳處理函數(shù)vTaskIncrementTick()，進(jìn)行時鐘計(jì)數(shù)和延時任務(wù)的處理
vTaskIncrementTick();
}
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( ulDummy );
}

3、PORTASM.S 匯編處理部分
1）請求切換任務(wù)
xPortPendSVHandler:
保存當(dāng)前任務(wù)的上下文到其任務(wù)控制塊
mrs r0, psp
ldrr3, =pxCurrentTCB獲取當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊指針
ldrr2, [r3]

stmdb r0!, {r4-r11}保存R4-R11到該任務(wù)的堆棧
str r0, [r2]將最后的堆棧指針保存到任務(wù)控制塊的pxTopOfStack

stmdb sp!, {r3, r14}
關(guān)閉中斷
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
msr basepri, r0
切換任務(wù)的上下文，pxCurrentTCB已指向新的任務(wù)

bl vTaskSwitchContext
mov r0, #0
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14}
恢復(fù)新任務(wù)的上下文到各寄存器
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
ldmia r0!, {r4-r11}/* Pop the registers. */
msr psp, r0
bx r14
任務(wù)切換的示意圖如下：

2.）中斷允許和關(guān)閉的實(shí)現(xiàn)，通過BASEPRI屏蔽相應(yīng)優(yōu)先級的中斷源
vPortSetInterruptMask:
push { r0 }
mov R0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
msr BASEPRI, R0
pop { R0 }

bx r14

vPortClearInterruptMask:
PUSH { r0 }
MOV R0, #0
MSR BASEPRI, R0
POP { R0 }

bx r14

3）直接切換任務(wù)，用于vPortStartFirstTask第一次啟動任務(wù)時初始化堆棧和各寄存器
vPortSVCHandler;
ldrr3, =pxCurrentTCB
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]
ldmia r0!, {r4-r11}
msr psp, r0
mov r0, #0
msrbasepri, r0
orr r14, r14, #13
bx r14

4）啟動第一個任務(wù)的匯編實(shí)現(xiàn)
vPortStartFirstTask
通過中斷向量表的定位堆棧的地址
ldr r0, =0xE000ED08向量表偏移量寄存器 (VTOR)
ldr r0, [r0]
ldr r0, [r0]
msr msp, r0將堆棧地址保存到主堆棧指針msp中
觸發(fā)SVC軟中斷，由vPortSVCHandler()完成第一個任務(wù)的具體切換工作
svc 0

FreeRTOS內(nèi)核調(diào)度器啟動的流程如下：

以上3個文件實(shí)現(xiàn)了FreeRTOS內(nèi)核調(diào)度所需的底層接口，相關(guān)代碼十分精簡。

二、創(chuàng)建測試任務(wù)：
下面創(chuàng)建第一個測試任務(wù)，LED測試
int main( void )
{
設(shè)置系統(tǒng)時鐘，中斷向量表和LED使用的GPIO
使用stm32的固件包提供的初始化函數(shù)，具體說明見相關(guān)手冊
prvSetupHardware();

通過xTaskCreate()創(chuàng)建4個LED任務(wù)vLEDFlashTask(),
每個任務(wù)根據(jù)各自的頻率閃爍,分別對應(yīng)開發(fā)板上的4個LED
vStartLEDFlashTasks( mainFLASH_TASK_PRIORITY );

•創(chuàng)建一個IDLE任務(wù)后，通過xPortStartScheduler啟動調(diào)度器
vTaskStartScheduler();

調(diào)度器工作不正常時返回
return 0;
}

portTASK_FUNCTION()是FreeRTOS定義的函數(shù)聲明，沒特殊作用
static portTASK_FUNCTION( vLEDFlashTask, pvParameters )
{
……省略……，具體為計(jì)算各LED的閃爍頻率
for(;;)
{
vTaskDelayUntil( &xLastFlashTime, xFlashRate );
vParTestToggleLED( uxLED );

vTaskDelayUntil()的延時時間xFlashRate，是從上一次的延時時間xLastFlashTime算起的，
相對vTaskDelay()的直接延時更為精準(zhǔn)。
vTaskDelayUntil( &xLastFlashTime, xFlashRate );
vParTestToggleLED( uxLED );
}
}

FreeRTOS的任務(wù)創(chuàng)建與UC/OSII差異不大，主要參數(shù)為任務(wù)函數(shù)，堆棧大小和任務(wù)的優(yōu)先級。如：
xTaskCreate( vLEDFlashTask, ( signed portCHAR * ) "LEDx", ledSTACK_SIZE, NULL, uxPriority, ( xTaskHandle * ) NULL );

下面再創(chuàng)建一個LCD顯示任務(wù)，以最低優(yōu)先級運(yùn)行：
xTaskCreate( vLCDTask, ( signed portCHAR * ) "LCD", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, NULL );

void vLCDTask( void *pvParameters )
{
……省略……
for( ;; )
{
vTaskDelay(1000);
printf("%c ", usDisplayChar);
}
}
該任務(wù)很簡單，每隔1000個ticks(就是1000ms)，從LCD上刷新一個數(shù)字。