FreeRTOS 在STM32上的移植 V1.0

FreeRTOS作為開源的輕量級實時性操作系統，不僅實現了基本的實時調度、信號量、隊列和存儲管理，而且在商業應用上不需要授權費。

FreeRTOS的實現主要由list.c、queue.c、croutine.c和tasks.c 4個文件組成。list.c 是一個鏈表的實現，主要供給內核調度器使用；queue.c 是一個隊列的實現，支持中斷環境和信號量控制；croutine.c 和task.c是兩種任務的組織實現。對于croutine，各任務共享同一個堆棧，使RAM的需求進一步縮小，但也正因如此，他的使用受到相對嚴格的限制。而task則是傳統的實現，各任務使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調度。

FreeRTOS的主要功能可以歸結為以下幾點：
1)優先級調度、相同優先級任務的輪轉調度，同時可設成可剝奪內核或不可剝奪內核
2)任務可選擇是否共享堆棧(co-routines & tasks)，并且沒有任務數限制
3)消息隊列，二值信號量，計數信號量，遞歸互斥體
4)時間管理
5)內存管理

與UC/OSII一樣，FreeRTOS在STM32的移植大致由3個文件實現，一個.h文件定義編譯器相關的數據類型和中斷處理的宏定義；一個.c文件實現任務的堆棧初始化、系統心跳的管理和任務切換的請求；一個.s文件實現具體的任務切換。

在本次移植中，使用的編譯軟件為IAR EWARM 5.2。
一、各文件關鍵部分的實現：

1、PORTMACRO.H 宏定義部分
1）定義編譯器相關的各種數據類型
#define portCHARchar
#define portFLOATfloat
#define portDOUBLEdouble
#define portLONGlong
#define portSHORTshort
#define portSTACK_TYPEunsigned portLONG
#define portBASE_TYPElong

2）架構相關的定義
Cortex-M3的堆棧增長方向為高地址向低地址增長
#define portSTACK_GROWTH( -1 )
每毫秒的心跳次數
#define portTICK_RATE_MS( ( portTickType ) 1000 / configTICK_RATE_HZ )
訪問SRAM的字節對齊
#define portBYTE_ALIGNMENT8

3）定義用戶主動引起內核調度的2個函數
強制上下文切換，用在任務環境中調用
#define portYIELD()vPortYieldFromISR()
強制上下文切換，用在中斷處理環境中調用
#define portEND_SWITCHING_ISR( xSwitchRequired ) if( xSwitchRequired ) vPortYieldFromISR()

4）定義臨界區的管理函數
中斷允許和關閉
#define portDISABLE_INTERRUPTS()vPortSetInterruptMask()
#define portENABLE_INTERRUPTS()vPortClearInterruptMask()
臨界區進入和退出
#define portENTER_CRITICAL()vPortEnterCritical()
#define portEXIT_CRITICAL()vPortExitCritical()
用于在中斷環境的中斷允許和關閉
#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;/* 程序狀態寄存器 */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = ( portSTACK_TYPE ) pxCode;/* 任務的入口點 */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = 0;/* LR */
pxTopOfStack -= 5;/* R12, R3, R2 and R1. */
*pxTopOfStack = ( portSTACK_TYPE ) pvParameters;/* 任務的參數 */
pxTopOfStack -= 8;/* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */
return pxTopOfStack;
}

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

設置并啟動系統的心跳時鐘
prvSetupTimerInterrupt();

初始化臨界區的嵌套的個數
uxCriticalNesting = 0;

啟動第一個任務
vPortStartFirstTask();

執行到vPortStartFirstTask函數，內核已經開始正常的調度
return 0;
}

3）主動釋放mcu使用權
void vPortYieldFromISR( void )
{
觸發PendSV系統服務中斷，中斷到來時由匯編函數xPortPendSVHandler()處理
*(portNVIC_INT_CTRL) = portNVIC_PENDSVSET;
}
進入臨界區時，首先關閉中斷；當退出所以嵌套的臨界區后再使能中斷
void vPortEnterCritical( void )
{
portDISABLE_INTERRUPTS();
uxCriticalNesting++;
}
void vPortExitCritical( void )
{
uxCriticalNesting--;
if( uxCriticalNesting == 0 )
{
portENABLE_INTERRUPTS();
}
}
4）心跳時鐘處理函數
void xPortSysTickHandler( void )
{
unsigned portLONG ulDummy;

如果是搶占式調度，首先看一下有沒有需要調度的任務
#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vTaskIncrementTick()，進行時鐘計數和延時任務的處理
vTaskIncrementTick();
}
portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( ulDummy );
}

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

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

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

bl vTaskSwitchContext
mov r0, #0
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14}
恢復新任務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
任務切換的示意圖如下：

2.）中斷允許和關閉的實現，通過BASEPRI屏蔽相應優先級的中斷源
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，用于vPortStartFirstTask第一次啟動任務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）啟動第一個任務的匯編實現
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SVC軟中斷，由vPortSVCHandler()完成第一個任務的具體切換工作
svc 0

FreeRTOS內核調度器啟動的流程如下：

以上3個文件實現了FreeRTOS內核調度所需的底層接口，相關代碼十分精簡。

二、創建測試任務：
下面創建第一個測試任務，LED測試
int main( void )
{
設置系統時鐘，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，具體說明見相關手冊
prvSetupHardware();

通過xTaskCreate()創建4個LED任務vLEDFlashTask(),
每個任務根據各自的頻率閃爍,分別對應開發板上的4個LED
vStartLEDFlashTasks( mainFLASH_TASK_PRIORITY );

•創建一個IDLE任務后，通過xPortStartScheduler啟動調度器
vTaskStartScheduler();

調度器工作不正常時返回
return 0;
}

portTASK_FUNCTION()是FreeRTOS定義的函數聲明，沒特殊作用
static portTASK_FUNCTION( vLEDFlashTask, pvParameters )
{
……省略……，具體為計算各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。
vTaskDelayUntil( &xLastFlashTime, xFlashRate );
vParTestToggleLED( uxLED );
}
}

FreeRTOS的任務創建與UC/OSII差異不大，主要參數為任務函數，堆棧大小和任務的優先級。如：
xTaskCreate( vLEDFlashTask, ( signed portCHAR * ) "LEDx", ledSTACK_SIZE, NULL, uxPriority, ( xTaskHandle * ) NULL );

下面再創建一個LCD顯示任務，以最低優先級運行：
xTaskCreate( vLCDTask, ( signed portCHAR * ) "LCD", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, NULL );

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