?

今日分享參加瑞薩RA MCU創(chuàng)意氛圍賽的選手項目——基于優(yōu)先級的RTOS內(nèi)核。本項目為基于優(yōu)先級調(diào)度的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，其中調(diào)度部分使用固定可搶占的優(yōu)先級調(diào)度機制；提供了可移植接口以便適配不同架構(gòu)的cpu；重寫了更簡易更輕量級的部分庫函數(shù)，比如標準輸入輸出以及字符串相關(guān)操作；除內(nèi)核外還提供部分組件，包括一個簡易的shell程序以及設(shè)備驅(qū)動框架。具體的操作我們一起來看看講解吧！

一、簡介

1.1 項目簡介

SimpleRTOS(catOS) 是我大學實習期間為了學習RTOS編寫的一個簡單的內(nèi)核，主要調(diào)度方式基于優(yōu)先級搶占，該項目重構(gòu)了兩次，故內(nèi)容和功能有所不同，最新版本僅保留了固定優(yōu)先級調(diào)度方式。

本次項目內(nèi)容為將該內(nèi)核對野火的瑞薩啟明6M5開發(fā)板進行適配，并編寫簡單的demo驗證正確性。如果有什么錯誤請大家批評指正。（文末有項目資料鏈接可供參考）

1.2 開發(fā)板簡介

官網(wǎng)特性介紹如下：

?支持TrustZone的200MHz Arm Cortex-M33

?安全芯片功能

?1MB - 2MB閃存、448KB支持奇偶校驗的SRAM和64KB ECC SRAM

?具有后臺運行能力的雙區(qū)閃存，以及存儲塊交換功能

?8KB數(shù)據(jù)閃存，提供與EEPROM類似的數(shù)據(jù)存儲功能

?100引腳封裝至176引腳封裝

?帶有專用DMA的以太網(wǎng)控制器

?電容觸摸按鍵感應(yīng)單元

?高速和全速USB 2.0

?CAN FD（也支持CAN 2.0B）

?QuadSPI和OctaSPI

?SCI多功能串口（UART、簡單SPI、簡單I2C）

?SPI/I2C多主接口

?SDHI和MMC

二、適配內(nèi)核

2.1 可移植接口概覽

需要實現(xiàn)的可移植接口包括以下部分

左右滑動查看

?

/**
* @brief 硬件初始化
*/
void cat_hw_init(void);


/**
* @brief 開始調(diào)度
*
*/
void catos_start_sched(void);


/**
* @brief 上下文切換
*
*/
//void cat_hw_context_switch(void);
/**
* @brief 上下文切換
*
* @param ?from_task_sp_addr 上一個任務(wù)tcb中堆棧指針變量的 *地址*
* @param ?to_task_sp_addr ? 下一個任務(wù)tcb中堆棧指針變量的 *地址*
*/
void cat_hw_context_switch(cat_uint32_t from_task_sp_addr, cat_uint32_t to_task_sp_addr);


/**
* @brief 切換到第一個任務(wù)的上下文
*
* @param ?first_task_sp_addr ?要切換的任務(wù)tcb中堆棧指針變量的 *地址*
*/
void cat_hw_context_switch_to_first(cat_uint32_t first_task_sp_addr);


/**
* @brief 關(guān)中斷進臨界區(qū)
*
* @return cat_uint32_t
*/
cat_uint32_t cat_hw_irq_disable(void);


/**
* @brief 開中斷出臨界區(qū)
*
* @param status
*/
void cat_hw_irq_enable(cat_uint32_t status);


/**
* @brief 棧初始化
*
* @param task_entry ? ?任務(wù)入口函數(shù)地址
* @param parameter ? ? 參數(shù)
* @param stack_addr ? ?棧起始地址
* @param exit ? ? ? ? ?任務(wù)退出函數(shù)地址
* @return cat_uint8_t* ? ? 初始化后的棧頂?shù)刂?*/
cat_uint8_t *cat_hw_stack_init(void *task_entry, void *parameter, cat_uint8_t *stack_addr, void *exit);

?

2.2 硬件初始化

在硬件初始化中主要是設(shè)置系統(tǒng)時鐘中斷頻率，初始化時設(shè)置時鐘中斷為關(guān)閉狀態(tài)。

左右滑動查看

?

/**
* @brief 硬件初始化
*/
void cat_hw_init(void)
{
/* 設(shè)置系統(tǒng)時鐘中斷頻率為100Hz(每秒100次) */
cat_set_systick_period(CATOS_SYSTICK_MS);
}


/**
* @brief 初始化時鐘中斷
*
* @param ms 每個tick的時間(ms)
*/
static void cat_set_systick_period(cat_uint32_t ms)
{
cat_uint32_t err = 0;
cat_uint32_t IT_Period = 0;


IT_Period = ms * SystemCoreClock / 1000;


//err = SysTick_Config(IT_Period);


/* 如果設(shè)定的周期太離譜就停在這 */
if ((IT_Period - 1UL) > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)
{
err = 1;
}
assert(0 == err);


SysTick->LOAD = (uint32_t)(IT_Period - 1UL); /* 設(shè)置重裝載寄存器 */
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1UL << __NVIC_PRIO_BITS) - 1UL); /* 設(shè)置時鐘中斷優(yōu)先級 */
SysTick->VAL = 0UL; /* 設(shè)置計數(shù)器裝載值 */
SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk | /* 設(shè)定為內(nèi)核時鐘FCLK */
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk | /* 設(shè)定為systick計數(shù)器倒數(shù)到0時觸發(fā)中斷 */
~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; /* 關(guān)閉定時器中斷，若創(chuàng)建任務(wù)則在catos_start_sched()中開啟該中斷 */


}

?

2.3 開始調(diào)度與切換到第一個任務(wù)的上下文

開始調(diào)度需要從就緒表中獲取最高優(yōu)先級任務(wù)并設(shè)置為當前任務(wù)，并且在恢復(fù)第一個任務(wù)上下文之前需要打開時鐘中斷并初始化pendsv中斷以保證調(diào)度的正常工作。

注：這里暫時沒有對不使用fpu的情況適配，參考FreeRTOS的可移植接口實現(xiàn)。

左右滑動查看

?

/**
* @brief 開始調(diào)度
*
*/
void catos_start_sched(void)
{
cat_uint32_t tmp_reg = 0;
struct _cat_task_t *first_task = NULL;


/* 獲取最高優(yōu)先級任務(wù) */
first_task = cat_sp_task_highest_ready();


/* 因為是第一個任務(wù)，不用像調(diào)度時判斷是否和上一個任務(wù)一樣，直接賦值給當前任務(wù)就行 */
cat_sp_cur_task = first_task;


/* 允許調(diào)度(打開調(diào)度鎖，并且不在該處進行調(diào)度) */
cat_sp_task_sched_enable_without_sched();


/* 開啟時鐘中斷 */
SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;


/* 設(shè)置pendsv中斷優(yōu)先級 */
tmp_reg = MEM32(NVIC_SHPR3);
tmp_reg |= NVIC_PENDSV_PRI;
MEM32(NVIC_SHPR3) = tmp_reg;


/* 切換到第一個任務(wù) */
cat_hw_context_switch_to_first((cat_uint32_t)&(first_task->sp));
}


/**
* @brief 切換到第一個任務(wù)的上下文
*
*/
void cat_hw_context_switch_to_first(void)
{
__enable_irq();
__ISB();


/* 各個寄存器地址 */
__asm volatile (
".equ SCB_ICSR, 0xE000ED04 
" // 中斷控制寄存器
".equ SCB_VTOR, 0xE000ED08 
" // 中斷向量表偏移寄存器
".equ ICSR_PENDSVSET, 0x10000000 
" // pendsv觸發(fā)值


".equ SHPR3_PRI_14, 0xE000ED22 
" // 系統(tǒng)異常handler優(yōu)先級寄存器 3 (PendSV).
".equ PRI_LVL_PENDSV, 0xFF 
"http:// pendsv優(yōu)先級 (最低).
".equ SHPR3_PRI_15, 0xE000ED23 
"http:// 系統(tǒng)異常handler優(yōu)先級寄存器 3 (Systick).


"ldr r1, =cat_context_to_task_sp_ptr 
"
"str r0, [r1] 
"


#if __FPU_USED
//#error "__FPU_USED"
/* 清除control寄存器的FPCA */
"mrs r2, control 
" /* read */
"bic r2, r2, #0x04 
" /* modify */
"msr control, r2 
" /* write-back */
#else
#error "must use fpu"
#endif


/* 將變量 cat_context_from_task_sp_ptr 設(shè)置為0*/
"ldr r1, =cat_context_from_task_sp_ptr 
"
"mov r0, #0 
"
"str r0, [r1] 
"


"mov r4, #0x1234 
"


/* 觸發(fā)pendsv中斷，允許中斷后會立即進入pendsv切換 */
"ldr r0, =SCB_ICSR 
"
"ldr r1, =ICSR_PENDSVSET 
"
"str r1, [r0] 
" /* *(SCB_ICSR) = "ICSR_PENDSVSET */


/* 不會到達這里 */
"dsb 
"
"isb 
"
"svc 0 
"
);
}

?

2.4 上下文切換

上下文切換使用pendsv中斷進行，主要工作為保存當前任務(wù)堆棧和寄存器以及恢復(fù)下一個任務(wù)的堆棧和寄存器。

左右滑動查看

?

/**
* void cat_hw_context_switch(void)
* 觸發(fā)pendsv中斷進行任務(wù)切換(pendsv的優(yōu)先級在開始第一個任務(wù)時已經(jīng)設(shè)置)
*/
 ? ?.global cat_hw_context_switch
 ? ?.type cat_hw_context_switch, %function
cat_hw_context_switch:
 ? ?/* 將兩個任務(wù)的堆棧指針變量的 *地址* 加載到臨時變量中 */
 ? ?/* cat_context_from_task_sp_ptr = &(cat_sp_cur_task->sp) */
 ? ?ldr r2, =cat_context_from_task_sp_ptr
 ? ?str r0, [r2]


 ? ?/* cat_context_to_task_sp_ptr = &(cat_sp_next_task->sp) */
 ? ?ldr r2, =cat_context_to_task_sp_ptr
 ? ?str r1, [r2]


 ? ?/* 觸發(fā)pendsv中斷進行切換 */
 ? ?ldr r0, =SCB_ICSR ? ? ?
 ? ?ldr r1, =ICSR_PENDSVSET
 ? ?str r1, [r0] ? ? ? ? ? ? ? ?/* *(SCB_ICSR) = ICSR_PENDSVSET */
 ? ?bx ?lr




void PendSV_Handler(void)
{
 ? ?__asm volatile (
 ? ? ? ?/* 關(guān)閉全局中斷并保存當前中斷屏蔽寄存器中的值方便恢復(fù) */
 ? ?"mrs r2, primask ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
 ? ?"cpsid i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


 ? ?/* 保存中斷屏蔽寄存器狀態(tài) */
 ? ?"push {r2} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


 ? ?/* 獲取from任務(wù)的堆棧指針變量中的值 */
 ? ?/* 在進入pendsv之前 cat_context_from_task_sp_ptr = &(from_task->sp) */
 ? ?/** 故有：
 ? ? * r0 = ?&(from_task->sp)
 ? ? * r1 = *(&(from_task->sp)) 等價于 r1 = from_task->sp
 ? ? */
 ? ?"ldr r0, =cat_context_from_task_sp_ptr ? ? ?
"
 ? ?"ldr r1, [r0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
 ? ?/* 如果為零則說明是第一個任務(wù) */
 ? ?"cbz r1, switch_to_thread ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"


/* 暫時可能用不到trustzone, 因此直接跳轉(zhuǎn) */
 ? ?"b contex_ns_store ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
/* 暫時可能用不到 END */


"contex_ns_store: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"


 ? ?/* 用戶級堆棧是psp，特權(quán)級堆棧是msp */
 ? ?/* 任務(wù)用的是psp，將當前寄存器保存到堆棧中 */
 ? ?"mrs r1, psp ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


#if __FPU_USED
 ? ?"tst lr, #0x10 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
 ? ?"it eq ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
 ? ?"vstmdbeq r1!, {s16-s31} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


#if BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
#else
 ? ? ? ?/* Stack R4-R11 on the process stack. Also stack LR since the FPU is supported. */
 ? ? ? ?"STMDB ? ? R1!, {R4-R11, LR} ? ? ? ? ? ? 
"
#endif
#else
#error "must use fpu"
#endif


#if BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
#error "should not use BSP_TZ_NONSECURE_BUILD"
#elif RM_CATOS_PORT_PSPLIM_PRESENT
 ? ? ? ?"mrs ? ? r3, psplim ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
" /* R3 = PSPLIM. */
 ? ? ? ?"stmdb ? r1!, {r3} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
#endif


 ? ?/* 記錄最后的指針到任務(wù)棧curstk->stack */
 ? ?/* 更新tcb的堆棧指針變量值 */
 ? ?/**
 ? ? ? ?from_task->sp = r1
 ? ? */
 ? ?"ldr r0, [r0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
 ? ?"str r1, [r0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"


#if !__FPU_USED
#error "must use fpu"
#endif


 ? ? ? ?/* 上下文保存結(jié)束 */


"switch_to_thread: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
 ? ?"ldr r1, =cat_context_to_task_sp_ptr ? ? ? ?
"
 ? ?"ldr r1, [r1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
 ? ?"ldr r1, [r1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"


#if BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
#error "not support BSP_TZ_NONSECURE_BUILD"
#elif RM_CATOS_PORT_PSPLIM_PRESENT
 ? ? ? ?"LDMIA ? R1!, {R2} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
" /* R1 = PSPLIM */
 ? ? ? ?"MSR ? ? PSPLIM, R2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
" /* Restore the PSPLIM register value for the task. */
#endif


#if BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
#error "not support BSP_TZ_NONSECURE_BUILD"
#endif


 ? ? ? ?"b contex_ns_load ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
"contex_ns_load: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


#if __FPU_USED
#if BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
 ?#error "not support BSP_TZ_NONSECURE_BUILD"
#else
 ? ? ? ?/* Restore R4-R11 and LR from the process stack. */
 ? ? ? ?"LDMIA ? R1!, {R4-R11, LR} ? ? ? ? ? ? ? 
"
#endif


 ? ? ? ?/* Check to see if the thread being restored is using the FPU. If so, restore S16-S31. */
 ? ? ? ?"TST ? ? ? LR, #0x10 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
 ? ? ? ?"IT ? ? ? ?EQ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
 ? ? ? ?"VLDMIAEQ ?R1!, {S16-S31} ? ? ? ? ? ? ? ?
"
#else
#error "must use fpu"
#endif


"pendsv_exit: ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"
 ? ?"msr psp, r1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


#if !__FPU_USED
#error "must use fpu"
#endif


 ? ?"pop {r2} ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 
"


 ? ?/* 恢復(fù)屏蔽寄存器值 */
 ? ?"msr primask, r2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"


#if __FPU_USED
 ? ?"bx lr ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
"
#else
#error "must use fpu"
#endif
 ? ?);
}

?

2.5 臨界區(qū)的開關(guān)中斷

開關(guān)中斷主要是對primask的操作，和cortex-m3差不多，比較簡單。

左右滑動查看

?

/**
* cat_uint32_t cat_hw_irq_disable(void)
* 關(guān)中斷方式進入臨界區(qū)
* primask-->r0
*/
 ? ?.global cat_hw_irq_disable
 ? ?.type cat_hw_irq_disable, %function
cat_hw_irq_disable:
 ? ?mrs r0, primask ? ? ? ? ? ? /* ret = primask */
 ? ?cpsid I ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? /* disable irq */
 ? ?bx lr ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? /* return ret */


/**
* void cat_hw_irq_enable(cat_uint32_t status)
* 開中斷方式出臨界區(qū)
* r0-->status
*/
 ? ?.global cat_hw_irq_enable
 ? ?.type cat_hw_irq_enable, %function
cat_hw_irq_enable:
 ? ?msr primask, r0 ? ? ? ? ? ? /* primask = status */
 ? ?bx lr

?

2.6 任務(wù)棧初始化

在任務(wù)創(chuàng)建時需要根據(jù)任務(wù)的相關(guān)信息對任務(wù)棧幀中各項進行初始化，包括設(shè)置psr寄存器、任務(wù)入口地址、退出函數(shù)地址和任務(wù)參數(shù)。

需要特別注意的是cortex-m33還需要正確設(shè)置psplim等寄存器。

左右滑動查看

?

/**
* @brief 棧初始化
*
* @param task_entry ? ?任務(wù)入口函數(shù)地址
* @param parameter ? ? 參數(shù)
* @param stack_addr ? ?棧起始地址
* @param exit ? ? ? ? ?任務(wù)退出函數(shù)地址
* @return cat_uint8_t* ? ? 初始化后的棧頂?shù)刂?*/
cat_uint8_t *cat_hw_stack_init(void *task_entry, void *arg, cat_uint8_t *stack_addr, void *exit_func)
{
 ?struct _stack_frame *stack_frame;
 ?cat_uint32_t ? ? ? ? *stack;
 ?cat_uint32_t ? ? ? ? i;


 ?/* 先加上4字節(jié)再8字節(jié)向下取整對齊(相當于四舍五入) */
 ?stack = stack_addr + sizeof(cat_uint32_t);
 ?stack = (cat_uint8_t *)CAT_ALIGN_DOWN((cat_uint32_t)stack, 8);


 ? ?/* task context saved & restore by hardware: */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x01000000L; /* xPSR: EPSR.T = 1, thumb mode ? */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)task_entry; ? ? ? /* Entry Point */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)exit_func; /* R14 (LR) ? ? ? ? ? ? ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x12121212L; /* R12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x03030303L; /* R3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x02020202L; /* R2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x01010101L; /* R1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)arg; ? ? ? ? /* R0 : argument ? ? ? ? ? ? ? ? ?*/


#if __FPU_USED && !BSP_TZ_NONSECURE_BUILD
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)portINITIAL_EXC_RETURN; /* exe_return值 */
#endif


 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x11111111L; /* R11 */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x10101010L; /* R10 */
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x09090909L; /* R9 ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x08080808L; /* R8 ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x07070707L; /* R7 ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x06060606L; /* R6 ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x05050505L; /* R5 ?*/
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x04040404L; /* R4 ?*/


#if RM_CATOS_PORT_PSPLIM_PRESENT
 ? ?*(--stack) = (cat_uint32_t)0x00; /* psplim */
#endif


 ? ?stack_frame = (struct _stack_frame *)stack;
#endif /* #if 0 */


 ?/* 返回當前棧指針 */
 ?return stack;
}

?

　審核編輯：湯梓紅