在Linux下实现FreeRTOS的简单模拟器

FreeRTOS

基础知识不赘述，请参考朱工的专栏， 本文主要描述怎么在Linux的环境下跑一个FreeRTOS的模拟器

官方示例

FreeRTOS的官方提供了一个在Linux下的Simulator的示例，但是用的Kernel的版本非常老，是V6的版本，FreeRTOS现在已经进化到V10了，作为一个标准码农，不用最新版本简直不舒服斯基 >_<。
先把官方示例下载下来，在官方示例中，有一个Debug和Release的目录，在这两个目录下使用make all命令就可以直接编出来可执行文件在Linux下直接运行，当然，使用Eclipse直接打开对应的工程来编译也是可以的。

更新Kernel

先创建一个文件夹Simulator_Linux，其下有三个目录

FreeRTOS_Kernel
inc
src

FreeRTOS_Kernel中保存内核代码，inc和src保存APP的代码，当然，可以按照自己的爱好自行调整目录结构。

再去FreeRTOS官网下载最新的Kernel代码，解压后进入FreeRTOS\Source目录。
按照官方的示例，将最新的代码拷贝到FreeRTOS_Kernel目录中。
include目录中的头文件不管三七二十一全拷贝过来即可（我懒，不想一个个去梳理>_<）。
.c文件只需要拷贝croutine.c, list.c, queue.c以及tasks.c即可。（croutine其实也可以不用拷贝，但是要做一些配置）
portable文件夹不从FreeRTOS\Source拷贝，而从simulator的示例中拷贝（\Posix_GCC_Simulator\FreeRTOS_Posix\FreeRTOS_Kernel）

退回到上层目录，在将官方示例的simulator的根目录下的FreeRTOSConfig.h拷贝到inc目录下。
在src目录下创建main.c文件，在其中定义一个空的main函数即可。

此时，我们就拥有了一个完整的Kernel的代码，当然这个时候还是没法编译的，一来缺少makefile，二来portable的文件与最新的Kernel其实并不完全匹配。当然，APP的代码也就是main函数的代码也还是空的。

Makefile

参考官方示例的makefile，在根目录下创建Makefile文件，同样在子目录下也包含两个subdir.mk用来编译需要的对应的.o，具体不再赘述：
Makefile:

RM := rm -rf

PROJ_ROOT  :=.
BUILD_TMP  :=$(PROJ_ROOT)/tmp
TARGET_INC := -I$(PROJ_ROOT)/inc \
              -I$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/include \
              -I$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/portable/GCC/Posix 

-include subdir.mk
-include FreeRTOS_Kernel/subdir.mk

ifneq ($(MAKECMDGOALS),clean)
ifneq ($(strip $(C_DEPS)),)
-include $(C_DEPS)
endif
endif

all:simulator_linux.bin

simulator_linux.bin: $(OBJS)
    @echo 'Building target: $@'
    gcc -pthread -lrt -o"simulator_linux.bin" $(OBJS) $(LIBS)
    @echo 'Finished building target: $@'
    @echo ' '

clean:
    -$(RM) $(OBJS)$(C_DEPS)$(EXECUTABLES) simulator_linux.bin
    -@echo ' '

.PHONY: all clean dependents
.SECONDARY:

subdir.mk:

C_SRCS += \
$(PROJ_ROOT)/src/main.c 

OBJS += \
$(BUILD_TMP)/main.o 

C_DEPS += \
$(BUILD_TMP)/main.d 

# Each subdirectory must supply rules for building sources it contributes
$(BUILD_TMP)/%.o: $(PROJ_ROOT)/src/%.c
    @echo 'Building file: $<'
    gcc -DUSE_STDIO=1 -D__GCC_POSIX__=1 $(TARGET_INC) -O2 -Wall -c -fmessage-length=0 -pthread -lrt -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.d)" -o"$@" "$<"
    @echo 'Finished building: $<'
@echo ' '

FreeRTOS_Kernel/subdir.mk

C_SRCS += \
$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/croutine.c \
$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/list.c \
$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/queue.c \
$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/tasks.c \
$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/portable/GCC/Posix/port.c \
$(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/portable/MemMang/heap_3.c 

OBJS += \
$(BUILD_TMP)/croutine.o \
$(BUILD_TMP)/list.o \
$(BUILD_TMP)/queue.o \
$(BUILD_TMP)/tasks.o \
$(BUILD_TMP)/port.o \
$(BUILD_TMP)/heap_3.o 

C_DEPS += \
$(BUILD_TMP)/croutine.d \
$(BUILD_TMP)/list.d \
$(BUILD_TMP)/queue.d \
$(BUILD_TMP)/tasks.d \
$(BUILD_TMP)/port.d \
$(BUILD_TMP)/heap_3.d 

$(BUILD_TMP)/%.o: $(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/%.c
    @echo 'Building file: $<'
    gcc -DUSE_STDIO=1 -D__GCC_POSIX__=1 $(TARGET_INC) -O2 -Wall -c -fmessage-length=0 -pthread -lrt -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.d)" -o"$@" "$<"
    @echo 'Finished building: $<'
    @echo ' '

$(BUILD_TMP)/%.o: $(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/portable/GCC/Posix/%.c
    @echo 'Building file: $<'
    gcc -DUSE_STDIO=1 -D__GCC_POSIX__=1 $(TARGET_INC) -O2 -Wall -c -fmessage-length=0 -pthread -lrt -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.d)" -o"$@" "$<"
    @echo 'Finished building: $<'
    @echo ' '

$(BUILD_TMP)/%.o: $(PROJ_ROOT)/FreeRTOS_Kernel/portable/MemMang/%.c
    @echo 'Building file: $<'
    gcc -DUSE_STDIO=1 -D__GCC_POSIX__=1 $(TARGET_INC) -O2 -Wall -c -fmessage-length=0 -pthread -lrt -MMD -MP -MF"$(@:%.o=%.d)" -MT"$(@:%.o=%.d)" -o"$@" "$<"
    @echo 'Finished building: $<'
@echo ' '

OK，编译体系已经搞好。此时在根目录下直接敲 make all 就应该可以进行编译啦。

配置更新

此时直接make all会发现有一大堆错误，这是因为FreeRTOS的版本更新后一些结构体的名字发生了变化，在FreeRTOS.h中有一个兼容性的宏可以控制一部分的兼容性，但是因为版本跨度比较大， 我们依然需要在portmacro.h中做适当的适配：

/*-----------------------------------------------------------*/
typedef portSTACK_TYPE StackType_t;
typedef portBASE_TYPE BaseType_t;
typedef unsigned long UBaseType_t;

#define portTICK_PERIOD_MS                                ( ( TickType_t ) 1000 / configTICK_RATE_HZ )
#if( configUSE_16_BIT_TICKS == 1 )
        typedef unsigned portSHORT TickType_t;
        #define portMAX_DELAY ( TickType_t ) 0xffff
#else
        typedef unsigned portLONG TickType_t;
        #define portMAX_DELAY ( TickType_t ) 0xffffffff
#endif

/*-----------------------------------------------------------*/
/*
#if( configUSE_16_BIT_TICKS == 1 )
    typedef unsigned portSHORT portTickType;
    #define portMAX_DELAY ( portTickType ) 0xffff
#else
    typedef unsigned portLONG portTickType;
    #define portMAX_DELAY ( portTickType ) 0xffffffff
#endif
*/
/*-----------------------------------------------------------*/

编译运行

此时再make clean后重新make all，编译即可通过。但是实际上main.c里并没有执行任何代码，所以感受不到FreeRTOS的实际效果，我们在main.c中添加一些代码，来创建两个任务并通过消息队列来传递一些数据：

#include 
#include 
#include "main.h"

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

static void vTask1( void *pvParameters );
static void vTask2( void *pvParameters );

int main()
{
    static xQueueHandle xTestQueue;
    xTestQueue = xQueueCreate( 10, ( unsigned portBASE_TYPE ) sizeof( unsigned short ) );
    xTaskCreate( vTask1, "vTask1", configMINIMAL_STACK_SIZE, ( void * ) &xTestQueue, tskIDLE_PRIORITY, NULL );
    xTaskCreate( vTask2, "vTask2", configMINIMAL_STACK_SIZE, ( void * ) &xTestQueue, tskIDLE_PRIORITY, NULL );

    vTaskStartScheduler();
    return 1;
}

static void vTask1( void *pvParameters )
{
unsigned short usValue = 0, usLoop;
xQueueHandle *pxQueue;
const unsigned short usNumToProduce = 3;
short sError = pdFALSE;

    pxQueue = ( xQueueHandle * ) pvParameters;

    for( ;; )
    {       
        for( usLoop = 0; usLoop < usNumToProduce; ++usLoop )
        {
            /* Send an incrementing number on the queue without blocking. */
            printf("Task1 will send: %d\r\n", usValue);
            if( xQueueSendToBack( *pxQueue, ( void * ) &usValue, ( portTickType ) 0 ) != pdPASS )
            {
                sError = pdTRUE;
            }
            else
            {
                ++usValue;
            }
        }
        vTaskDelay( 2000 );
    }
}
static void vTask2( void *pvParameters )
{
unsigned short usData = 0;
xQueueHandle *pxQueue;

    pxQueue = ( xQueueHandle * ) pvParameters;

    for( ;; )
    {       
        while( uxQueueMessagesWaiting( *pxQueue ) )
        {
            if( xQueueReceive( *pxQueue, &usData, ( portTickType ) 0 ) == pdPASS )
            {
                printf("Task2 received:%d\r\n", usData);
            }
        }
        vTaskDelay( 5000 );
    }
}

/********************************************************/
/* This is a stub function for FreeRTOS_Kernel */
void vMainQueueSendPassed( void )
{
    return;
}

/* This is a stub function for FreeRTOS_Kernel */
void vApplicationIdleHook( void )
{
    return;
}

再次重新编译，执行编译后在根目录下生成的simulator_linux.bin，即可看到两个Task之间的交互过程：

总结

FreeRTOS的内核极其小巧，只需要几个简单的文件就可以进行编译运行，当在不同的硬件上进行移植的时候，只需要修改portable目录里的文件即可完成对硬件的适配，实际上官方也提供了大量的已经完成移植的设备的portable文件，我们只需要简单的拷贝过来即可。^_^

btw: 本文完整的代码见我的github. :)