IRDLPC1768 从裸机(bare metal)到RTOS B -- 2

okwh · 发表于 2019-3-18 00:06:14

本帖最后由 okwh 于 2019-3-23 15:34 编辑

【IRD-LPC1768-DEV】从裸机(bare metal)到RTOS B -- 2

上篇实验了裸机编程，本篇试验嵌入实时操作系统

1 嵌入实时操作系统：

通常需要设计比较复杂控制逻辑的、需要控制众多不同响应要求的硬件设备时，且内存比较充足，才需要以操作系统的方式编程嵌入软件。

目前可用的免费RTOS较多，如Keil RTX、mbed-os、freeRTOS、uCOS I/II/III、RT-Thread等等。我们主要关心Contex-M芯片上可用的RTOS.

就RTOS核来说，其实所有OS都差不多，不外乎

1) 任务/线程调度：基于函数(内含永远循环运行的代码)线程的建立，优先级、轮转调度、抢先调度、序列传递执行，线程状态：就绪态READY、运行态RUNNING、阻塞等待态WAIT、不活跃态INACTIVE或挂起锁定lock与恢复resume。

2) 任务同步和通讯机制：信号signal或事件event：用于异步的触发或组合触发；semaphore(信号灯)：用于对单或多的执行许可；mutex(互斥锁)用于某资源通常是代码资源的独占执行；message消息或mail box邮箱或share momery：以队列、缓冲池、链表等方式用于线程间通讯。

3) 时间管理：系统硬定时器、软间定时器，优先级与时间片，等待、锁定、延时和条件延时、超时处理等。

4) 静态动态内存管理：内存池、内存堆管理、零拷贝数据传送；

5) 中断：通常，中断响应中尽可能仅设置信号或事件标志就退出，后在高优先线程中做后续完全处理。注意中断中可使用的OS函数；

6) 调试诊断与软件开发支持;

7) 设备管理：非芯片、板级设备驱动或中间件，可选或可不包含在核中；

8) 其他：出错恢复、存储器保护、多核多处理器支持等。

诚然，学习OS是间不容易的事，但对比前文、由易出发、按需要配置，可以很容易循序渐进掌握。

本篇就以堪称最容易最方便的Keil RTX为例，初步理解RTOS。

2 KeilRTX

众所周知，ARM® Cortex™ 微控制器软件接口标准(CMSIS--Cortex Microcontroller Software Interface Standard) 是 Cortex-M 处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。CMSIS 可实现与处理器和外设之间的一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用，缩短微控制器开发人员新手的学习过程，并缩短新设备的上市时间。而且CMSIS、传统的寄存器直接编程、厂家提供的驱动等，可以任意混合或独立使用，随你喜好。CMSIS包含多部分CMSIS-CORE、CMSIS-DSP、CMSIS-RTOS API、CMSIS-SVD（这个SVD用于厂家建立芯片的标准信息－系统视图描述－－或者说给软件看的芯片手册，进而可由软件工具自动生成芯片的全部驱动代码，就是pack中的 device 目录和RTE_Driver目录）、Driver、PACK、DAP等。目前可用于Contex-M和部分A系列。

显然，CMSIS已经包含了一个统一的CMSIS-RTOSAPI，用于实时操作系统的标准化或者说方便化。

任何第三方都可不太难的设计一些实时调度算法核，无需提供源代码，而且用户只需使用统一的CMSIS-RTOS API即可，甚至即使换了硬件，都无需多大改动。

Keil就实现了一个Keil RTX，使用极其方便，上手也堪称极其容易，且提供源代码(总共十几个文件，合计200多k源代码)，甚至可以从中学习自己设计RTOS。

细节参考：

C:\Keil\ARM\Pack\ARM\CMSIS\5.4.0\CMSIS\Pack

http://github.com/ARM-software/CMSIS_5

仅使用的话，其实可以不管Keil RTX，只需使用CMSIS-RTOSAPI即可。

Keil甚至提供通过无需硬件、可纯软件模拟运行的例子，用于很容易一步步地学习。uVision Simulation的例子：Keil\ARM\Pack\Hitex\CMSIS_RTOS_Tutorial\1.1.0\Examples

优缺点： 在uVsion环境中，可以很容易很方便的配置组合开发，目前主要用于Contex-M和Contex- A。

uVision ARM-MDK体系:

CMSIS体系：

3 例程 这里以RTX库，使用CMSIS-RTOSV1 实现4LED 序列明灭

Keil uVision MDK- ARM 5.22, 生成新工程，选 lpc1768,Keil.LPC1700_DFP.2.5.0, 从运行时环境添加CMSIS Core、startup、PIN、GPIO、RTOS Keil RTX库组件。

创建4个线程tid_phaseA/B/C/D分别对应控制4个LED的亮灭，并依次以signal循环触发，一个后续线程tid_Other用于可能的后续工作。

从调试堆栈stack, 可以看出总共有8个线程，4个线程tid_phaseA/B/C/D，一个后续线程tid_Other，一个main本身，一个计时器线程osTimerThread，一个后备工作线程os_idle_Demon。后两个个是缺省的，可配置

RTX当然是可配置的，配置RTX_Conf_CM.C记录，可以看出RTX 配置很简单。

程序代码如下，几乎是裸机版的翻版，但拥有8个线程，可以做为很复杂系统的基本框架了。

/*----------------------------------------------------------------------------
* RL-ARM - RTX5 IRD-LPC1768 test
*---------------------------------------------------------------------------*/
#include "cmsis_os.h" // ARM::CMSIS:RTOS:Keil RTX5
//#include "cmsis_os2.h" // ARM::CMSIS:RTOS2:Keil RTX5
#include "LPC17xx.h"
#include "PIN_LPC17xx.h"
#include "GPIO_LPC17xx.h"
#define LED_COUNT (4)
const PIN LED_PIN[] = { //后3个相关USB，做led 就不要用usb
{0, 7},
{1, 18},
{2, 9},
{1, 22 },
};
int32_t LED_Initialize (void) { // led初始化 GPIO
uint32_t n;
GPIO_PortClock (1); /* Enable GPIO clock */
for (n = 0; n < LED_COUNT; n++) { /* Configure pins: Output Mode with Pull-down resistors */
PIN_Configure (LED_PIN[n].Portnum, LED_PIN[n].Pinnum, PIN_FUNC_0, PIN_PINMODE_PULLDOWN, PIN_PINMODE_NORMAL);
GPIO_SetDir (LED_PIN[n].Portnum, LED_PIN[n].Pinnum, GPIO_DIR_OUTPUT);
GPIO_PinWrite (LED_PIN[n].Portnum, LED_PIN[n].Pinnum, 0);
}
GPIO_PinWrite (LED_PIN[1].Portnum, LED_PIN[1].Pinnum, 1); // P1.18 led负端， 1灭
GPIO_PinWrite (LED_PIN[2].Portnum, LED_PIN[2].Pinnum, 1); // P2.9 led负端， 1灭
return 0;
}
osThreadId tid_phaseA; /* Thread id of task: phase_a */
osThreadId tid_phaseB; /* Thread id of task: phase_b */
osThreadId tid_phaseC; /* Thread id of task: phase_c */
osThreadId tid_phaseD; /* Thread id of task: phase_d */
osThreadId tid_Other; /* Thread id of task: anyOther */
/*----------------------------------------------------------------------------
* Function 'signal_func' called from multiple threads
*---------------------------------------------------------------------------*/
void signal_func (osThreadId tid) { // 做公共处理、触发后续其他线程等
osSignalSet(tid_Other, 0x0100); /* set signal to any other thread */
osDelay(4500); /* delay 500ms */
osSignalSet(tid, 0x0001); /* set signal to thread next one of ABCD 'threads' */
osDelay(500); /* delay 500ms */
}
/*
void signal_func (osThreadId tid) { // 只简单用于设置触发后续其他线程的标志
osSignalSet(tid, 0x0001); // set signal to thread 'thread'
}
*/
/*----------------------------------------------------------------------------
* Thread 1 'phaseA': Phase A output
*---------------------------------------------------------------------------*/
void phaseA (void const *argument) {
for (;;) {
osSignalWait(0x0001, osWaitForever); /* wait for an event flag 0x0001 for start this thread */
GPIO_PinWrite(LED_PIN[3].Portnum, LED_PIN[3].Pinnum,1); //On
signal_func(tid_phaseB); /* call common signal function to trigger next thread*/
GPIO_PinWrite (LED_PIN[3].Portnum, LED_PIN[3].Pinnum, 0); //Off
}
}
/*----------------------------------------------------------------------------
* Thread 2 'phaseB': Phase B output
*---------------------------------------------------------------------------*/
void phaseB (void const *argument) {
for (;;) {
osSignalWait(0x0001, osWaitForever); /* wait for an event flag 0x0001 for start this thread*/
GPIO_PinWrite(LED_PIN[2].Portnum, LED_PIN[2].Pinnum,0); //On
signal_func(tid_phaseC); /* call common signal function to trigger next thread*/
GPIO_PinWrite(LED_PIN[2].Portnum, LED_PIN[2].Pinnum,1); //Off
}
}
/*----------------------------------------------------------------------------
* Thread 3 'phaseC': Phase C output
*---------------------------------------------------------------------------*/
void phaseC (void const *argument) {
for (;;) {
osSignalWait(0x0001, osWaitForever); /* wait for an event flag 0x0001 */
GPIO_PinWrite(LED_PIN[1].Portnum, LED_PIN[1].Pinnum,0); //On
signal_func(tid_phaseD); /* call common signal function */
GPIO_PinWrite(LED_PIN[1].Portnum, LED_PIN[1].Pinnum,1); //Off
}
}
/*----------------------------------------------------------------------------
* Thread 4 'phaseD': Phase D output
*---------------------------------------------------------------------------*/
void phaseD (void const *argument) {
for (;;) {
osSignalWait(0x0001, osWaitForever); /* wait for an event flag 0x0001 */
GPIO_PinWrite(LED_PIN[0].Portnum, LED_PIN[0].Pinnum,1); //On
signal_func(tid_phaseA); /* call common signal function */
GPIO_PinWrite(LED_PIN[0].Portnum, LED_PIN[0].Pinnum,0); //Off
}
}
/*----------------------------------------------------------------------------
* Thread 5 'Other'
*---------------------------------------------------------------------------*/
void Other (void const *argument) { // can be used to do other things
for (;;) {
osSignalWait(0x0100, osWaitForever); /* wait for an event flag 0x0100 */ //
osDelay(100); /* delay 100ms text this osDelay time > that at signal_func ??? */
}
}
osThreadDef(phaseA, osPriorityNormal, 1, 0); //设置优先级
osThreadDef(phaseB, osPriorityNormal, 1, 0);
osThreadDef(phaseC, osPriorityNormal, 1, 0);
osThreadDef(phaseD, osPriorityNormal, 1, 0);
osThreadDef(Other, osPriorityNormal, 1, 0);
/*----------------------------------------------------------------------------
* Main: Initialize and start RTX Kernel
*---------------------------------------------------------------------------*/
int main (void) {
SystemCoreClockUpdate (); /* Update system core clock 100MHz */
// SysTick_Config(SystemCoreClock/10); /* SysTick 中断 each 100 ms */
// 不需要了， RTX 做系统初始化， SysTick被用于RTOS的调度计时，不得再它用
LED_Initialize(); /* Initialize the LEDs */
tid_phaseA = osThreadCreate(osThread(phaseA), NULL); //创建线程
tid_phaseB = osThreadCreate(osThread(phaseB), NULL);
tid_phaseC = osThreadCreate(osThread(phaseC), NULL);
tid_phaseD = osThreadCreate(osThread(phaseD), NULL);
tid_Other = osThreadCreate(osThread(Other), NULL);
osSignalSet(tid_phaseA, 0x0001); /* set signal to phaseA thread 触发第一个线程 */
osDelay(osWaitForever);
while(1);
}