FreeRTOS系列第5篇---FreeRTOS在Cortex-M3上的移植

FreeRTOS下載包的文件結構

在FreeRTOS官方網站可以下載到最新版的FreeRTOS包，我這里使用的是V8.2.3版本。

下載包內的總文件數量多的令人生畏，但文件結構卻很簡潔。《FreeRTOS入門指南》一文的第3節(jié)詳細描述了下載包文件結構，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，FreeRTOS-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，RTOS需要一些與處理器架構相關的代碼?？梢苑Q之為RTOS硬件接口層，它們位于FreeRTOS/Source/Portable/[相應編譯器]/[相應處理器架構] 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：FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_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。關于FreeRTOS的內存管理，后續(xù)《FreeRTOS內存管理》一文中會詳細介紹FreeRTOS內存管理的特性和用法，《FreeRTOS內存管理分析》一文會從源碼級別分析FreeRTOS內存管理的具體實現，這里不用多糾結，你也可以快速的瀏覽一下這兩篇文章，里面或許有許多不懂的，但不要著急，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。

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。下載FreeRTOS程序包（《FreeRTOS歷史版本更新記錄》一文中有下載地址，這是我在CSDN下載頻道做的鏡像文件。如果你能忍受下載網速慢，也可以去官方網站下載。） 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：Keil\ARM\CMSIS文件夾下也可以找到）

移植過程

添加RTOS核心代碼

將tasks.c、queue.c和list.c這三個內核代碼加入工程，將port.c和heap_1.c這兩個與處理器相關代碼加入工程。port.c位于FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3文件夾下，heap_1.c位于FreeRTOS/Source/portable/MemMang文件夾下。

添加頭文件路徑

1. ...\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3
2. ...\FreeRTOS\Source\include

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，在這個基礎上進行修改。詳細的配置說明將在后續(xù)《FreeRTOS內核配置說明》一文中給出，這里依然不必糾結。

編寫一些鉤子函數

如果你在FreeRTOSConfig.h中設置了「configUSE_TICK_HOOK=1」，則必須編寫voidvApplicationTickHook( void )函數。該函數利用時間片中斷，可以很方便的實現一個定時器功能。詳見后續(xù)文章《FreeRTOS內核配置說明》有關宏configUSE_TICK_HOOK一節(jié)。

如果你在FreeRTOSConfig.h中設置了「configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW=1或=2」，則必須編寫voidvApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle pxTask, signed char *pcTaskName )函數，該函數用于檢測堆棧溢出，詳見后續(xù)文章《FreeRTOS內核配置說明》有關宏configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW一節(jié)。

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（假設你已經配置好了啟動代碼，并正確配置了UART）：

 #include"task.h"
 #include"queue.h"
 #include"list.h"
 #include"portable.h"
 #include"debug.h"

 int main(void)
 {
     init_rtos_debug();           //初始化調試串口
     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。

掛接中斷

在Cortex-M3硬件下，FreeRTOS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。異常中斷服務代碼位于port.c文件中，FreeRTOS的作者已經為各種架構的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關鍵字聲明要掛接的異常中斷服務函數名，然后將：

 DCD     SVC_Handler            換成：DCD     vPortSVCHandler
 DCD     PendSV_Handler         換成：DCD     xPortPendSVHandler
 DCD     SysTick_Handler        換成：DCD     xPortSysTickHandler

建立第一個任務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，這里我們將把這個小函數作為我們第一個任務要執(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的任務以及編寫格式將在后續(xù)文章《FreeRTOS任務概述》一文中詳述，這里只是一個很簡單的任務，先有有大體印象。這里面有一個API函數vTaskDelay()，這個函數用于延時，具體用法將在后續(xù)文章《FreeRTOS任務控制》一文中詳細介紹，延時函數代碼級分析將在《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。

設置節(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，設定每隔10ms產生一次節(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：

1. configCPU_CLOCK_HZ     (/ 你的硬件平臺CPU系統(tǒng)時鐘，Fcclk/)
2. 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，也就是每個時間片為10ms。

在prot.c中，函數vPortSetupTimerInterrupt()設置節(jié)拍時鐘。該函數根據上面的兩個宏定義的參數，計算SysTick定時器的重裝載數值寄存器，然后設置SysTick定時器的控制及狀態(tài)寄存器，設置如下：使用內核時鐘源、使能中斷、使能SysTick定時器。另外，函數vPortSetupTimerInterrupt()由函數vTaskStartScheduler()調用，這個函數用于啟動調度器。

設置中斷優(yōu)先級相關宏

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

/*設置內核使用的中斷優(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內核配置說明》會詳細介紹這些宏的含義，對于Cortex-M內核，后續(xù)文章《Cortex-M內核使用FreeRTOS特別注意事項》一文，會講述這些宏與硬件的聯系，那個時候你一定會清楚這些宏所定義的數字會對你的硬件產生什么影響的?，F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。

設置其它宏

還需要在FreeRTOSConfig.h設置一些必要的宏，這些宏如下所示：

#define configUSE_PREEMPTION 1            //配置為1使用搶占式內核,配置為0使用時間片
#define configUSE_IDLE_HOOK  0            //設置為1使用空閑鉤子；設置為0不使用空閑鉤子
#define configMAX_PRIORITIES      ( 5 )   //應用程序任務中可用優(yōu)先級數目
#define configUSE_TICK_HOOK       0       //就設置為1使用時間片鉤子，設置為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 ) )   //內核總共可用RAM

創(chuàng)建任務

調用FreeRTOS提供的API函數來創(chuàng)建任務，代碼如下所示：

xTaskCreate(vTask,"Task1",50,NULL,1,NULL);

關于詳細的創(chuàng)建任務API函數，會在后續(xù)文章《FreeRTOS任務創(chuàng)建和刪除》一文中介紹。

開啟調度器

調用FreeRTOS提供的API函數來啟動調度器，代碼如下所示：

vTaskStartScheduler();

關于詳細的開啟調度器API函數，會在后續(xù)文章《FreeRTOS內核控制》一文中介紹。此時的main函數代碼如下所示：

int main(void)
{
   init_rtos_debug();                             //初始化調試串口

    xTaskCreate(vTask,"Task1",50,NULL,1,NULL);
    vTaskStartScheduler();
    while(1);
 }

小結

到這里，一個最基本的FreeRTOS應用程序就已經運行起來，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，FreeRTOS移植到Cortex-M3硬件是多么的簡單，這一方面歸功于FreeRTOS的設計師已經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用。我們還不清楚FreeRTOS背后的機理、調度算法的面貌、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API的細節(jié)、調度API的細節(jié)，再比如FreeRTOS的內存如何分配？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。