FreeRTOS源码分析-代码结构

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 portCHAR  char

#define portFLOAT  float

#define portDOUBLE  double

#define portLONG  long

#define portSHORT  short

#define portSTACK_TYPE unsigned portLONG

#define portBASE_TYPE long

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_ALIGNMENT 8

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_M
4000
ASK_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  

ldr r3, =pxCurrentTCB 获取当前任务的任务控制块指针

ldr r2, [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;

ldr r3, =pxCurrentTCB

ldr r1, [r3]

ldr r0, [r1]

ldmia r0!, {r4-r11}

msr psp, r0

mov r0, #0

msr basepri, 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。