freeRTOS移植——初步分析

基于之前的分析，freeRTOS的移植主要集中在以下部分，

·       中断管理，包括ISR的配置、中断的关闭和开启等。

·       TASK切换处理，包括触发TASK切换、TASK切换的出栈和压栈操作等。

·       freeRTOS的基本配置和可选配置

·       Heap管理，

它们对应的源文件如下

·       portable.h，申明了中断管理和TASK切换管理相关的函数申明，用户可以自行增减

·       freeRTOS_Config.h，定义了freeRTOS的各类配置的宏，用于可以根据需要进行配置

·       Heap_X.c，X=1~5，用户可以自行选择freeRTOS提供的heap模型，也可以自行开发

 

移植之前必须清楚待移植嵌入式系统的硬件架构，尤其是CPU和存储器的相关细节。后边将一一提到。实际上freeRTOS需要移植的必要代码都已经在portable.h中声明（不含freeRTOS_Config.h配置的可选功能），我们只需要按照该文件填写好对应的宏和函数即可。

以下将以freeRTOS官网上给出的基于ZYNQ_ZC702的工程，对一些常见的需要移植的代码进行分析。

初始化Task Stack

对应函数声明强制如下，

StackType_t*pxPortInitialiseStack( StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void*pvParameters )

其在freeRTOS创建TASK时被调用，用于初始化TASK的STACK，细节参考API函数xTaskCreate()、xTaskCreateStatic()、xTaskCreateRestricted和xTaskCreateRestrictedStatic()。

该函数的处理十分简单，实际就是压栈过程，但寄存器的取值完全用用户确定，但是需要注意以下几点

·       寄存器压栈的顺序完全由用户确定，一般是建议按照寄存器的类型和编号来确定，以便于维护

·       Stack Address Register对应的栈内位置存放TASK入口函数地址

·       TASK入口函数的入参按照CPU要求存放在相应寄存器对应的栈内位置——一般而言，编译器会指定某些寄存器专门用于存放函数入参。

·       TASK入口函数的返回值初始化为一特定值，按照CPU要求存放在相应今存其对应的栈内位置——一般而言，编译器会指定某一寄存器专门用于存放函数返回值。

·       压栈之前先想栈内写入一些特殊值，可用于检测栈是否被异常改写。

前两点需要用户查询CPU相关硬件手册，是必须做的。后两者并不强制要求，但是在实际移植中常常用到，可以用来检测OS崩溃。

若业务代码没有频繁创建TASK，处于便于维护的考虑，建议用C语言实现。

 

以下为freeRTOS官网提供的部分代码，可见其认为栈是向下生长的，按照R15到R0的顺序进行入栈的，出栈时必须保证这样的顺序。

启动调度器

对应函数声明强制如下，

BaseType_t xPortStartScheduler( void )

其在freeRTOS提供的API函数vTaskStartScheduler()中调用，用于OS启动时设置ISR、初始系统硬件和运行firstTASK。

其中，

·       设置ISR是指为OS使用到的中断设定相应ISR的过程，不并强制在该函数中进行，只要在启动CPU之前进行即可，我个人更加趋向于放到main()函数中OS启动之前的位置，和设置业务代码所需中断一起，以方便管理和维护。

·       初始化硬件，即初始化系统硬件模块，如定时器、UART、DMA等等。它并不强制在该函数中进行，根据需要在用户认为合适的地方执行即可。但个人建议最好在启动CPU之前进行，尤其是用于支持OS时间片机制的硬件定时器。

·       运行first TASK, first TASK是指在启动CPU后，OS中处于Ready状态的优先级最高的TASK，它是OS首个运行的TASK，因此记为first TASK。该处理过程即first TASK的出栈过程，但在完成出栈后需要设置CPU使之正常运行（恢复到正常运行状态并能够接接收所有相关中断）。

 

freeRTOS官网上的代码实际上是使用函数vConfigureTickInterrupt()来设置中断和完成硬件初始化的，然后调用汇编语言实现的函数vPortRestoreTaskContext()运行first TASK

vConfigureTickInterrupt()的基本流程如下图所示，其中使用了大量的ZYNQ 7000的提供的BSP，对于其他的硬件模块，也可以使用类似的流程完成相应中断设置和初始化

其中，

l  对于GIC

l  寻找配置（LookupConfig），使用BSP提供的API函数XScuGic_LookupConfig()

l  配置初始化（ConfigInitialization），只需要在首次配置中断时使用，使用BSP提供的API函数XScuGic_CfgInitialize()

l  设置中断（SetInterrupt），即配置中断优先级，触发条件等，使用BSP提供的API函数XScuGic_SetPriorityTriggerType()

l  链接（Connect），即配置中断服务程序（ISR），使用BSP提供的API函数XScuGic_Connect()

l  开启中断（EnableInterrupt），即在GIC侧开启中断，使用BSP提供的API函数XScuGic_Enable()

l  对于Timer

l  寻找配置（LookupConfig），使用BSP提供的API函数XScuTimer_LookupConfig ()

l  配置初始化（ConfigInitialization），使用BSP提供的API函数XScuTimer_CfgInitialize()

l  设置Timer（Set Timer），即Timer的周期，运行模式等，使用BSP提供的API函数XScuTimer_EnableAutoReload()和XScuTimer_SetPrescaler()

l  启动Timer（Start Timer），使用BSP提供的API函数XScuTimer_LoadTimer()和XScuTimer_Start()

l  开启中断（EnableInterrupt），即在Timer 使用BSP提供的API函数XScuTimer_EnableInterrupt()

 

以下为相应代码，实际上所有外设中断都可以如是配置。

vPortRestoreTaskContext()实际上就是出栈的处理过程，也用于任务切换的处理过程，在后边会提到。

 

ISR

一般而言，ISR处理过程如下图所示，包含压栈、用户自定义处理和出栈过程，

其中，

·       用户自定义处理过程基于函数指针数组做成API提供给用户，以方便用户自行定义ISR

·       压栈和出栈即之前提到的CPU处理中断过程中的出栈和压栈，与之前说的一样，多以汇编语言实现

·       若支持中断嵌套，则在压栈时将中断嵌套信息保存到interrupt stack中后更新，出栈时则从interrupt stack恢复中断嵌套该信息。

·       出栈时若需要触发TASK切换，则需要在中断处理完成（包含中断的出栈）后，直接进行TASK切换或触发相应的任务切换中断。

该部分的移植需要特别考虑如何提高出栈和压栈代码的效率，以及提供给用户更加方便的用户自定义处理过程的API接口。

除此之外，还需要考虑如何将ISR注册到CPU认可的中断向量表中去。

FreeRTOS使用了中断向量表替换的方式来完成注册，如下图所示，其中的函数vPortInstallFreeRTOSVectorTable()需要在操作系统启动前调用

对应的中断处理向量表freertos_vector_table如下，

PS:freertos_vector_table需要在链接器文件中注册，其中尤其要注意把vector_table的KEEP修饰关键字去掉

freeRTOS提供了名为FreeRTOS_IRQ_Handler的函数来实现ISR，细节如下。

压栈过程代码如下，其中的176行即对当前TASK进行压栈，在此之前，保存了了R14和SPSR，然后切入到SVC模式。

用户自定义处理过程相关代码如下，其中，

·       用户自定义处理过程在201行执行，其最终会调用到用户定义的中断服务程序表（XScuGic_ConfigTable），用户可以通过配置该程序表来完成对该过程的自定义。

·       用户自定义处理过程前后，再次使用了压栈和出栈机制（200行和203行），暂存了中断嵌套信息（）实际为临界区嵌套层数，变量ulPortInterruptNestingConst）

·       181行和182行将当前临界区嵌套信息（实际为临界区嵌套层数）保存到了寄存器r1，并将其进行了更新（自加1）

·       216行恢复了更新前的临界区嵌套信息

出栈过程相关代码如下，其中

·       225行判断了在ISR处理完成后是否进行TASK切换，变量ulPortYieldRequired提供给OS，输出是否在ISR接收后进行TASK切换的信息，

·       若需要TASK切换，则执行switch_beore_exit，其在248行完成了出栈，并且需要注意OS提供了API函数vTaskSwitchContextConst用于支持TASK切换，使用portSAVE_CONTEXT和portRESTORE_CONTEXT完成了TASK切换时的压栈和出栈，相关细节将在后边提到

·       若不需要TASK切换，则执行exit_without_switch，其在233行进行了出栈

TASK切换

如之前所述，TASK切换主要是压栈和出栈操作。freeRTOS还提供了了以API函数用于选取当前处于ready状态的优先级最高的TASK，即vTaskSwitchContextConst()，并且freeRTOS还提供了名为pxCurrentTCB的变量用于指示当前TASK的栈顶地址。

 

 

freeRTOS提供函数FreeRTOS_SWI_Handler用于TASK切换，

其中portSAVE_CONTEXT为实现压栈的宏，其中首先切换到了SYS模式，然后将必要的寄存器，中断嵌套层数（ulCriticalNestingConst）等全部入栈保存。

其中portRESTORE_CONTEXT为实现压栈的宏，其中过程与portSTORE_CONTEXT()刚好相反，但是由于OS提供的vTaskSwitchContextConst()中已经改变了当前OS执行TASK信息（pxCurrentTCBConst），因此出栈后切换到到了另外一TASK。

中断控制

如之前所属，OS基于中断实现了临界区和主动触发TASK切换的功能，它们以宏的方式定义，名称如下，

l  portYIELD()，用于触发TASK切换，一般是用触发指定软中断的方式实现

l  portYIELD_FROM_ISR(x)，当x不为0时在ISR中触发TASK切换

l  portENTER_CRITICAL()，进入临界区，

l  portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()，在ISR中关闭OS使用的中断，可用于ISR中进入临界区

l  portEXIT_CRITICAL()，退出临界区

l  portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( x )，在ISR中开启OS使用的中断，可用于ISR中进入临界区

l  portDISABLE_INTERRUPTS()，关闭中断

l  portENABLE_INTERRUPTS()，开启中断

 

freeRTOS官网上提供了相关代码，非常简单易懂，这里就不在累述。