如何實(shí)現(xiàn)FreeRTOS在Cortex-M3上的移植?

1. 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(jiǎn)潔?！禙reeRTOS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(jiǎn)單提一下。

下載包根目錄下包含兩個(gè)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(duì)這個(gè)文件夾下的內(nèi)容多做了解，重點(diǎn)說一下FreeRTOS文件夾。

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

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

對(duì)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?？梢苑Q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(huì)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(huì)從源碼級(jí)別分析FreeRTOS內(nèi)存管理的具體實(shí)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(duì)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(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

下載CMSIS-M3，其實(shí)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(gè)內(nèi)核代碼加入工程，將port.c和heap_1.c這兩個(gè)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(duì)于剛接觸FreeRTOS的用戶來說，最簡(jiǎn)單方法是找一個(gè)類似的Demo工程，復(fù)制該工程下的FreeRTOSConfig.h文件，在這個(gè)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)。

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(shí)間片中斷，可以很方便的實(shí)現(xiàn)一個(gè)定時(shí)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(cè)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(yàn)證你的硬件板子是否可靠的工作，首先編寫一個(gè)小程序片，比如閃爍一個(gè)LED燈或者發(fā)送一個(gè)字符等等，我們這里使用UART發(fā)送一個(gè)字符。代碼如下所示（假設(shè)你已經(jīng)配置好了啟動(dòng)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(gè)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(dòng)代碼OK，可以進(jìn)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(shí)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(dòng)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(gè)任務(wù)Task

在步驟3.5中，我們?yōu)榱藴y(cè)試硬件是是否能夠工作，編寫了一個(gè)發(fā)送字符的小函數(shù)，這里我們將把這個(gè)小函數(shù)作為我們第一個(gè)任務(wù)要執(zhí)行的主要代碼：每隔1秒鐘，發(fā)送一個(gè)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(gè)很簡(jiǎn)單的任務(wù)，先有有大體印象。這里面有一個(gè)API函數(shù)vTaskDelay（），這個(gè)函數(shù)用于延時(shí)，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(shí)函數(shù)代碼級(jí)分析將在《FreeRTOS高級(jí)篇10---系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘分析》。這里不必在意太多的未知情況，因?yàn)楹竺鏁?huì)一點(diǎn)點(diǎn)將這些未知空間探索一遍的。

3.8 設(shè)置節(jié)拍時(shí)鐘

這里我們使用SysTick定時(shí)器作為系統(tǒng)的節(jié)拍時(shí)鐘，設(shè)定每隔10ms產(chǎn)生一次節(jié)拍中斷。由于FreeRTOS對(duì)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(gè)宏定義即可：

****configCPU_CLOCK_HZ （/*你的硬件平臺(tái)CPU系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)cclk*/） configTICK_RATE_HZ （（portTickType）100） 第一個(gè)宏定義CPU系統(tǒng)時(shí)鐘，也就是CPU執(zhí)行時(shí)的頻率。第二個(gè)宏定義FreeRTOS的時(shí)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(gè)時(shí)間片為10ms。 在prot.c中，函數(shù)vPortSetupTimerInterrupt（）設(shè)置節(jié)拍時(shí)鐘。該函數(shù)根據(jù)上面的兩個(gè)宏定義的參數(shù)，計(jì)算SysTick定時(shí)器的重裝載數(shù)值寄存器，然后設(shè)置SysTick定時(shí)器的控制及狀態(tài)寄存器，設(shè)置如下：使用內(nèi)核時(shí)鐘源、使能中斷、使能SysTick定時(shí)器。另外，函數(shù)vPortSetupTimerInterrupt（）由函數(shù)vTaskStartScheduler（）調(diào)用，這個(gè)函數(shù)用于啟動(dòng)調(diào)度器。

3.9設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)相關(guān)宏

這里特別重要，因?yàn)樯婕暗街袛鄡?yōu)先級(jí)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(gè)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(jí)寄存器的5位*/ #endif /*設(shè)置內(nèi)核使用的中斷優(yōu)先級(jí)*/ #define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY （ 31 《《 （8 - configPRIO_BITS） ） /*定義RTOS可以屏蔽的最大中斷優(yōu)先級(jí)，大于這個(gè)優(yōu)先級(jí)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(huì)詳細(xì)介紹這些宏的含義，對(duì)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(xiàng)》一文，會(huì)講述這些宏與硬件的聯(lián)系，那個(gè)時(shí)候你一定會(huì)清楚這些宏所定義的數(shù)字會(huì)對(duì)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(shí)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(jí)數(shù)目 #define configUSE_TICK_HOOK 0 //就設(shè)置為1使用時(shí)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(xì)的創(chuàng)建任務(wù)API函數(shù)，會(huì)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(dòng)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(huì)在后續(xù)文章《FreeRTOS內(nèi)核控制》一文中介紹。 此時(shí)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(gè)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(huì)向PC發(fā)送一個(gè)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(jiǎn)單，這一方面歸功于FreeRTOS的設(shè)計(jì)師已經(jīng)為移植做了大量工作，同時(shí)，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(shí)器和全新的中斷及異常。

但是移植成功也只是萬里長(zhǎng)征的第一步，因?yàn)檫@只是最簡(jiǎn)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(hào)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(dòng)后對(duì)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(huì)圍繞這個(gè)最簡(jiǎn)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(duì)列、信號(hào)量、互斥量等通訊機(jī)制為止。

原文標(biāo)題：FreeRTOS系列第5篇---FreeRTOS在Cortex-M3上的移植

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責(zé)任編輯：haq