Microsoft Word - freeRTOS移椊.docx

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - freeRTOS移椊.docx"

员滑
5 years ago
Views:

1 FREERTOS 在 STM32 的移植 V 1.0 FreeRTOS 作为开源的轻量级实时性操作系统, 不仅实现了基本的实时调度信号量队列和存储管理, 而且在商业应用上不需要授权费 FreeRTOS 的实现主要由 list.c queue.c croutine.c 和 tasks.c 4 个文件组成 list.c 是一个链表的实现, 主要供给内核调度器使用 ;queue.c 是一个队列的实现, 支持中断环境和信号量控制 ;croutine.c 和 task.c 是两种任务的组织实现对于 croutine, 各任务共享同一个堆栈, 使 RAM 的需求进一步缩小, 但也正因如此, 他的使用受到相对严格的限制而 task 则是传统的实现, 各任务使用各自的堆栈, 支持完全的抢占式调度 FreeRTOS 的主要功能可以归结为以下几点 : 1) 优先级调度相同优先级任务的轮转调度, 同时可设成可剥夺内核或不可剥夺内核 2) 任务可选择是否共享堆栈 (co-routines & tasks), 并且没有任务数限制 3) 消息队列, 二值信号量, 计数信号量, 递归互斥体 4) 时间管理 5) 内存管理与 UC/OSII 一样,FreeRTOS 在 STM32 的移植大致由 3 个文件实现, 一个.h 文件定义编译器相关的数据类型和中断处理的宏定义 ; 一个.c 文件实现任务的堆栈初始化系统心跳的管理和任务切换的请求 ; 一个.s 文件实现具体的任务切换在本次移植中, 使用的编译软件为 IAR EWARM 5.2 各文件关键部分的实现 : PORTMACRO.H 宏定义部分 1. 定义编译器相关的各种数据类型 #define portchar #define portfloat #define portdouble #define portlong #define portshort #define portstack_type #define portbase_type char float double long short unsigned portlong long 1

2 2. 架构相关的定义 Cortex-M3 的堆栈增长方向为高地址向低地址增长 #define portstack_growth ( -1 ) 每毫秒的心跳次数 #define porttick_rate_ms ( ( portticktype ) 1000 / configtick_rate_hz ) 访问 SRAM 的字节对齐 #define portbyte_alignment 8 3. 定义用户主动引起内核调度的 2 个函数强制上下文切换, 用在任务环境中调用 #define portyield() vportyieldfromisr() 强制上下文切换, 用在中断处理环境中调用 #define portend_switching_isr( xswitchrequired ) if( xswitchrequired ) vportyieldfromisr() 4. 定义临界区的管理函数中断允许和关闭 #define portdisable_interrupts() #define portenable_interrupts() vportsetinterruptmask() vportclearinterruptmask() 临界区进入和退出 #define portenter_critical() #define portexit_critical() vportentercritical() vportexitcritical() 用于在中断环境的中断允许和关闭 #define portset_interrupt_mask_from_isr() 0;vPortSetInterruptMask() #define portclear_interrupt_mask_from_isr(x) vportclearinterruptmask();(void)x PORT.C C 接口部分 1. 堆栈初始化 portstack_type *pxportinitialisestack( portstack_type *pxtopofstack, pdtask_code pxcode, void *pvparameters ) *pxtopofstack = portinitial_xpsr; /* 程序状态寄存器 */ pxtopofstack--; *pxtopofstack = ( portstack_type ) pxcode; /* 任务的入口点 */ pxtopofstack--; *pxtopofstack = 0; /* LR */ pxtopofstack -= 5; /* R12, R3, R2 and R1. */ *pxtopofstack = ( portstack_type ) pvparameters; /* 任务的参数 */ pxtopofstack -= 8; /* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */ 2

3 return pxtopofstack; 2. 启动任务调度 portbase_type xportstartscheduler( void ) 让任务切换中断和心跳中断位于最低的优先级, 使更高优先级可以抢占 mcu *(portnvic_syspri2) = portnvic_pendsv_pri; *(portnvic_syspri2) = portnvic_systick_pri; 设置并启动系统的心跳时钟 prvsetuptimerinterrupt(); 初始化临界区的嵌套的个数 uxcriticalnesting = 0; 启动第一个任务 vportstartfirsttask(); 执行到 vportstartfirsttask 函数, 内核已经开始正常的调度 return 0; 3. 主动释放 mcu 使用权 void vportyieldfromisr( void ) 触发 PendSV 系统服务中断, 中断到来时由汇编函数 xportpendsvhandler() 处理 *(portnvic_int_ctrl) = portnvic_pendsvset; 进入临界区时, 首先关闭中断 ; 当退出所以嵌套的临界区后再使能中断 void vportentercritical( void ) portdisable_interrupts(); uxcriticalnesting++; void vportexitcritical( void ) uxcriticalnesting--; 3

4 if( uxcriticalnesting == 0 ) portenable_interrupts(); 4. 心跳时钟处理函数 void xportsystickhandler( void ) unsigned portlong uldummy; 如果是抢占式调度, 首先看一下有没有需要调度的任务 #if configuse_preemption == 1 *(portnvic_int_ctrl) = portnvic_pendsvset; #endif uldummy = portset_interrupt_mask_from_isr(); 通过 task.c 的心跳处理函数 vtaskincrementtick(), 进行时钟计数和延时任务的处理 vtaskincrementtick(); portclear_interrupt_mask_from_isr( uldummy ); PORTASM.S 汇编处理部分 1. 请求切换任务 xportpendsvhandler: 保存当前任务的上下文到其任务控制块 mrs r0, psp ldr r3, =pxcurrenttcb 获取当前任务的任务控制块指针 ldr r2, [r3] stmdb r0!, r4-r11 str r0, [r2] 保存 R4-R11 到该任务的堆栈将最后的堆栈指针保存到任务控制块的 pxtopofstack stmdb sp!, r3, r14 关闭中断 mov r0, #configmax_syscall_interrupt_priority msr basepri, r0 切换任务的上下文,pxCurrentTCB 已指向新的任务 4

5 bl vtaskswitchcontext mov r0, #0 msr basepri, r0 ldmia sp!, r3, r14 恢复新任务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 任务切换的示意图如下 : 保存当前任务上下文通过进程堆栈指针 PSP, 将 R4-R11 保存到该任务的堆栈将新的栈顶指针保存到 pxcurrenttcb->pxtopofstack 选择新任务通过 vtaskswitchcontext() 更新 pxcurrenttcb 指针 pxcurrenttcb 指针指向当前优先级最高的任务恢复新任务的上下文通过 pxcurrenttcb->pxtopofstack 恢复新任务的栈顶指针恢复 R4-R11 并更新进程堆栈指针 PSP 2. 中断允许和关闭的实现, 通过 BASEPRI 屏蔽相应优先级的中断源 vportsetinterruptmask: push r0 mov R0, #configmax_syscall_interrupt_priority msr BASEPRI, R0 pop R0 bx r14 vportclearinterruptmask: PUSH r0 MOV R0, #0 5

6 MSR BASEPRI, R0 POP R0 bx r14 3. 直接切换任务, 用于 vportstartfirsttask 第一次启动任务时初始化堆栈和各寄存器 vportsvchandler; ldr r3, =pxcurrenttcb ldr r1, [r3] ldr r0, [r1] ldmia r0!, r4-r11 msr psp, r0 mov r0, #0 msr basepri, r0 orr r14, r14, #13 bx r14 4. 启动第一个任务的汇编实现 vportstartfirsttask 通过中断向量表的定位堆栈的地址 ldr r0, =0xE000ED08 向量表偏移量寄存器 (VTOR) ldr r0, [r0] ldr r0, [r0] msr msp, r0 将堆栈地址保存到主堆栈指针 msp 中触发 SVC 软中断, 由 vportsvchandler() 完成第一个任务的具体切换工作 svc 0 FreeRTOS 内核调度器启动的流程如下 : 6

7 设置中断优先级配置心跳时钟 vportstartfirsttask 定位堆栈地址触发 SVC 软中断初始化任务环境调度器开始工作 xportstartscheduler vportsvchandler 以上 3 个文件实现了 FreeRTOS 内核调度所需的底层接口, 相关代码十分精简创建测试任务 : 下面创建第一个测试任务,LED 测试 int main( void ) 设置系统时钟, 中断向量表和 LED 使用的 GPIO 使用 stm32 的固件包提供的初始化函数, 具体说明见相关手册 prvsetuphardware(); 通过 xtaskcreate() 创建 4 个 LED 任务 vledflashtask(), 每个任务根据各自的频率闪烁, 分别对应开发板上的 4 个 LED vstartledflashtasks( mainflash_task_priority ); 创建一个 IDLE 任务后, 通过 xportstartscheduler 启动调度器 vtaskstartscheduler(); 调度器工作不正常时返回 return 0; porttask_function() 是 FreeRTOS 定义的函数声明, 没特殊作用 static porttask_function( vledflashtask, pvparameters ) 7

8 省略, 具体为计算各 LED 的闪烁频率 for(;;) vtaskdelayuntil( &xlastflashtime, xflashrate ); vpartesttoggleled( uxled ); vtaskdelayuntil() 的延时时间 xflashrate, 是从上一次的延时时间 xlastflashtime 算起的, 相对 vtaskdelay() 的直接延时更为精准 vtaskdelayuntil( &xlastflashtime, xflashrate ); vpartesttoggleled( uxled ); FreeRTOS 的任务创建与 UC/OSII 差异不大, 主要参数为任务函数, 堆栈大小和任务的优先级如 : xtaskcreate( vledflashtask, ( signed portchar * ) "LEDx", ledstack_size, NULL, uxpriority, ( xtaskhandle * ) NULL ); 下面再创建一个 LCD 显示任务, 以最低优先级运行 : xtaskcreate( vlcdtask, ( signed portchar * ) "LCD", configminimal_stack_size, NULL, tskidle_priority, NULL ); void vlcdtask( void *pvparameters ) 省略 for( ;; ) vtaskdelay(1000); printf("%c ", usdisplaychar); 该任务很简单, 每隔 1000 个 ticks( 就是 1000ms), 从 LCD 上刷新一个数字如下图 : 8

9 至此,FreeRTOS 在 STM32 上的移植基本完成与 UC/OSII 相比,FreeRTOS 精简的实现更适合用来学习实时操作系统的工作原理, 对其进行剖析也相对容易接下来, 将会移植 CAN,RS485,SD 卡和 USB 等接口到 FreeRTOS, 使其在 STM32 平台上更加完善 9

<4D F736F F F696E74202D204D34D1D0CCD6BBE F55434F534949D4DA4C4D3446D6D0B5C4D2C6D6B2D3EBD3A6D3C3>

<4D F736F F F696E74202D204D34D1D0CCD6BBE F55434F534949D4DA4C4D3446D6D0B5C4D2C6D6B2D3EBD3A6D3C3> uc/os-ii 在 LM4F 中的移植与应用捷恩斯威科技, 最专业的 TI MCU 方案设计商目录 1 uc/os-ii 简介 2 uc/os-ii 体系结构 3 uc/os-ii 的移植 4 uc/os-ii 任务创建 uc/os-ii 简介 1. μc/os-ii 具有执行效率高占用空间小实时性能优良和可扩展性强等特点, 最小内核可编译至 2KB 2. μc/os-ii 是一种可移植的,