FreeRTOS 在STM32上的移植 V1.0

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。
一、各文件关键部分的实现：

1、PORTMACRO.H 宏定义部分
1）定义编译器相关的各种数据类型
#define portCHARchar
#define portFLOATfloat
#define portDOUBLEdouble
#define portLONGlong
#define portSHORTshort
#define portSTACK_TYPEunsigned portLONG
#define portBASE_TYPElong

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_ALIGNMENT8

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()vPortSetInterruptMask()
#define portENABLE_INTERRUPTS()vPortClearInterruptMask()
临界区进入和退出
#define portENTER_CRITICAL()vPortEnterCritical()
#define portEXIT_CRITICAL()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

2、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. */
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--;
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 );
}

3、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
ldrr3, =pxCurrentTCB获取当前任务的任务控制块指针
ldrr2, [r3]

stmdb r0!, {r4-r11}保存R4-R11到该任务的堆栈
str r0, [r2]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

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：

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
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;
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）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：

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。

二、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 )
{
……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。