FreeRTOS在Cortex-M3上的移植

         将tasks.c、queue.c和list.c这三个内核代码加入工程，将port.c和heap_1.c这两个与处理器相关代码加入工程。port.c位于FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3文件夹下，heap_1.c位于FreeRTOS/Source/portable/MemMang文件夹下。

• ...\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3
• …\FreeRTOS\Source\include
  

      对于刚接触FreeRTOS的用户来说，最简单方法是找一个类似的Demo工程，复制该工程下的FreeRTOSConfig.h文件，在这个基础上进行修改。详细的配置说明将在后续《FreeRTOS内核配置说明》一文中给出，这里依然不必纠结。

      如果你在FreeRTOSConfig.h中设置了configUSE_TICK_HOOK=1，则必须编写voidvApplicationTickHook( void )函数。该函数利用时间片中断，可以很方便的实现一个定时器功能。详见后续**《FreeRTOS内核配置说明》有关宏configUSE_TICK_HOOK一节。

      如果你在FreeRTOSConfig.h中设置了configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW=1或=2，则必须编写voidvApplicationStackOverflowHook( xTaskHandle pxTask, signed char *pcTaskName )函数，该函数用于检测堆栈溢出，详见后续**《FreeRTOS内核配置说明》有关宏configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW一节。

      为了验证你的硬件板子是否可靠的工作，首先编写一个小程序片，比如闪烁一个LED灯或者发送一个字符等等，我们这里使用UART发送一个字符。代码如下所示（假设你已经配置好了启动代码，并正确配置了UART）：

• 
  
         #include"task.h"
  
  
• 
  
         #include"queue.h"
  
  
• 
  
         #include"list.h"
  
  
• 
  
         #include"portable.h"   
  
  
• 
  
         #include"debug.h"
  
  
• 
  
  
  
  
• 
  
         int main(void)
  
  
• 
  
         {
  
  
• 
  
             init_rtos_debug();           //初始化调试串口
  
  
• 
  
             MAP_UARTCharPut('A');        //发送一个字符
  
  
• 
  
             while(1);
  
  
• 
  
         }
  
  
  

      如果硬件可以正常发送字符，说明硬件以及启动代码OK，可以进行下一步。

      在Cortex-M3硬件下，FreeRTOS使用SysTick作为系统节拍时钟，使用SVC和PendSVC进行上下文切换。异常中断服务代码位于port.c文件中，FreeRTOS的作者已经为各种架构的CPU写好了这些代码，可以直接拿来用，需要用户做的，仅仅是将这些异常中断入口地址挂接到启动代码中。

      在startup.s中，使用IMPORT关键字声明要挂接的异常中断服务函数名，然后将：

• 
  
           DCD     SVC_Handler            换成：   DCD     vPortSVCHandler
  
  
• 
  
           DCD     PendSV_Handler         换成：   DCD     xPortPendSVHandler
  
  
• 
  
           DCD     SysTick_Handler        换成：   DCD     xPortSysTickHandler
  
  
  

      在步骤3.5中，我们为了测试硬件是是否能够工作，编写了一个发送字符的小函数，这里我们将把这个小函数作为我们第一个任务要执行的主要代码：每隔1秒钟，发送一个字符。代码如下所示：

• 
  
     voidvTask(void *pvParameters)
  
  
• 
  
     {
  
  
• 
  
          while(1)
  
  
• 
  
          {
  
  
• 
  
              MAP_UARTCharPut(0x31);
  
  
• 
  
              vTaskDelay(1000/portTICK_RATE_MS);
  
  
• 
  
          }
  
  
• 
  
     }
  
  
  

      FreeRTOS的任务以及编写格式将在后续**《FreeRTOS任务概述》一文中详述，这里只是一个很简单的任务，先有有大体印象。这里面有一个API函数vTaskDelay()，这个函数用于延时，具体用法将在后续**《FreeRTOS任务控制》一文中详细介绍，延时函数代码级分析将在《FreeRTOS高级篇10---系统节拍时钟分析》。这里不必在意太多的未知情况，因为后面会一点点将这些未知空间探索一遍的。

      这里我们使用SysTick定时器作为系统的节拍时钟，设定每隔10ms产生一次节拍中断。由于FreeRTOS对移植做了非常多的工作，以至于我们只需要在FreeRTOSConfig.h中配置好以下两个宏定义即可：

• configCPU_CLOCK_HZ     (/*你的硬件平台CPU系统时钟，Fcclk*/)
• configTICK_RATE_HZ       ((portTickType)100)         
  

      第一个宏定义CPU系统时钟，也就是CPU执行时的频率。第二个宏定义FreeRTOS的时间片频率，这里定义为100，表明RTOS一秒钟可以切换100次任务，也就是每个时间片为10ms。

      在prot.c中，函数vPortSetupTimerInterrupt()设置节拍时钟。该函数根据上面的两个宏定义的参数，计算SysTick定时器的重装载数值寄存器，然后设置SysTick定时器的控制及状态寄存器，设置如下：使用内核时钟源、使能中断、使能SysTick定时器。另外，函数vPortSetupTimerInterrupt()由函数vTaskStartScheduler()调用，这个函数用于启动调度器。

      这里特别重要，因为涉及到中断优先级和中断嵌套。这里先给出基于Cortex-M3硬件（lpc177x_8x系列微控制器）的一个配置例子，在FreeRTOSConfig.h中：

• 
  
  #ifdef __NVIC_PRIO_BITS
  
  
• 
  
           #defineconfigPRIO_BITS   __NVIC_PRIO_BITS
  
  
• 
  
  #else
  
  
• 
  
           #defineconfigPRIO_BITS   5  /*lpc177x_8x微处理器使用优先级寄存器的5位*/
  
  
• 
  
  #endif
  
  
• 
  
  
  
  
• 
  
  /*设置内核使用的中断优先级*/
  
  
• 
  
  #define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY      ( 31 << (8 - configPRIO_BITS) )
  
  
• 
  
  /*定义RTOS可以屏蔽的最大中断优先级，大于这个优先级的中断，不受RTOS控制*/
  
  
• 
  
  #defineconfigMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   ( 5<< (8 - configPRIO_BITS) )
  
  
  

      后续**《FreeRTOS内核配置说明》会详细介绍这些宏的含义，对于Cortex-M内核，后续**《Cortex-M内核使用FreeRTOS特别注意事项》一文，会讲述这些宏与硬件的联系，那个时候你一定会清楚这些宏所定义的数字会对你的硬件产生什么影响的。现在，我们只需要知道他们很重要就足够了，没人能一口吃成胖子。

      还需要在FreeRTOSConfig.h设置一些必要的宏，这些宏如下所示：

• 
  
  #define configUSE_PREEMPTION 1            //配置为1使用抢占式内核,配置为0使用时间片
  
  
• 
  
  #define configUSE_IDLE_HOOK  0            //设置为1使用空闲钩子；设置为0不使用空闲钩子
  
  
• 
  
  #define configMAX_PRIORITIES      ( 5 )   //应用程序任务中可用优先级数目
  
  
• 
  
  #define configUSE_TICK_HOOK       0       //就设置为1使用时间片钩子，设置为0不使用
  
  
• 
  
  #define configMINIMAL_STACK_SIZE      ( ( unsigned short ) 80 )     //最小空闲堆栈
  
  
• 
  
  #define configTOTAL_HEAP_SIZE         ( ( size_t ) ( 5 * 1024 ) )   //内核总共可用RAM
  
  
  

      调用FreeRTOS提供的API函数来创建任务，代码如下所示：

      关于详细的创建任务API函数，会在后续**《FreeRTOS任务创建和删除》一文中介绍。

      调用FreeRTOS提供的API函数来启动调度器，代码如下所示：

      关于详细的开启调度器API函数，会在后续**《FreeRTOS内核控制》一文中介绍。

      此时的main函数代码如下所示：

• 
  
       int main(void)
  
  
• 
  
       {
  
  
• 
  
           init_rtos_debug();                             //初始化调试串口
  
  
• 
  
  
  
  
• 
  
            xTaskCreate(vTask,"Task1",50,NULL,1,NULL);
  
  
• 
  
            vTaskStartScheduler();
  
  
• 
  
            while(1);   
  
  
• 
  
         }
  
  
  

      到这里，一个最基本的FreeRTOS应用程序就已经运行起来，将硬件板子接到PC的RS232串口，可以观察到每隔一秒钟，板子都会向PC发送一个指定的字符。

      回头看一下移植过程，FreeRTOS移植到Cortex-M3硬件是多么的简单，这一方面归功于FreeRTOS的设计师已经为移植做了大量工作，同时，新一代的Cortex-M3硬件也为操作系统增加了一些列便利特性，比如SysTick定时器和全新的中断及异常。

      但是移植成功也只是**长征的第一步，因为这只是最简单的应用。我们还不清楚FreeRTOS背后的机理、调度算法的面貌、甚至连信号量也都没有涉及。就本文的移植过程来看，我们也刻意忽略了很多细节，比如FreeRTOSConfig.h文件中的宏都有什么意义？改动后对RTOS有何影响？比如FreeRTOS任务API的细节、调度API的细节，再比如FreeRTOS的内存如何分配？如何进行堆栈溢出检查等等。