版本 8b412ecd18435943cf612acd9b4d7d5685b82558
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title: ChibiOS/RT
categories: embedded, arm, stm32, stm32f429
toc: yes
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組員
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* 莊承翰 / vchchuang
* 詹尚倫 / game
* 陳祐任 / bruce30262
* 陳易駿 / alex122380
* 郭耀琮 / rbugoo131
共筆: `hackpad<https://stm32f429.hackpad.com/ChibiOSRT--tRTURqqJOhr>`_
ChibiOS/RT 參考應用
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* `ChibiOS/RT users<http://www.chibios.org/dokuwiki/doku.php?id=chibios:users>`_
作業系統架構
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ChibiOS/RT 是一個相當模組化的設計，部由許多主要的獨立組件構成。而每一個組件又可能細分成許多子系統
.. image:: /embedded/chibi_architecture.png
* kernel : OS kernel中與平台無關的部份
* port layer ：OS kernel中與結構/編譯器 相關的部份
* HAL(hardware abstraction layer) : 包含許多抽象的device drivers，提供普遍的I/O API給不同平台的應用程式
* platform layer : 包含許多device drivers的實作
* various : 提供各種額外但不包含在特定組件的工具的函式庫
* HAL 與 platform關係如下
.. image:: /embedded/chibi_HAL_plat.png
中斷(Interrupt)
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* 先備知識
+ 可遮罩式中斷 ( Maskable Interrupt ) :
- 一種硬體中斷
- 可以透過軟體控制去設定中斷遮罩暫存器 ( Interrupt Mask Register ) 內的位元遮罩值 ( bit-mask ) 來讓CPU決定要不要回應這個中斷要求。
+ 不可遮罩式中斷 ( Non-Maskable Interrupt, NMI ) :
- 一種硬體中斷
- 與可遮罩式中斷不同，它無法用軟體去控制。**CPU一定要回應這個中斷要求，不可以忽略。**
+ 中斷遮罩暫存器 ( Interrupt Mask Registers ) : 在 ARM Cortex-M3中，可以透過設定中斷遮罩暫存器，來控制系統的中斷。共有三種:
- PRIMASK : 一個只有一個 bit 的暫存器。設為1時，系統將只會處理 NMI 和 hard fault exception，其他可遮罩式中斷將被全部忽略。設為0時，則可以處理所有中斷。
- FAULTMASK: 一個只有一個 bit 的暫存器。設為1時，系統將只會處理 NMI，其他像是 hard fault exception 或是可遮罩式中斷都將被全部忽略。設為0時，則可以處理 hard fault exception。
- BASEPRI: 8個 bit 的暫存器，用來儲存優先度等級( priority level )。當這個暫存器被設為一個非0值時，系統將會忽略優先度比這個值還要大**(代表優先度等級較低) **的中斷。
* Chibi OS/RT 的中斷類別
+ 正常中斷 ( Regular Interrupts ):
- 可遮罩式的中斷
- **在 GCC Ports / ARM Cortex-Mx / ARMv7-M 的移植版本中，優先度等級較低的中斷將被視為正常中斷**
- 無法搶佔部分的 kernel code
- 在此類的 interrupt handler 裡面可以呼叫 operating system APIs。
+ 快速中斷 ( Fast Interrupts ):
- 可遮罩式的中斷
- **在 GCC Ports / ARM Cortex-Mx / ARMv7-M 的移植版本中，優先度等級較高的中斷將被視為快速中斷**
- 可以搶佔 kernel code ，也因此有較短的延遲 ( lantency ) 。
- 在此類的 interrupt handler 裡面無法呼叫任何一個 operating system API 。
+ 不可遮罩式中斷 ( Non Maskable Interrupts, NMI):
- 不受OS控制的中斷，擁有最短的延遲 ( lowest latency )
執行緒(Thread)狀態
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.. image:: /embedded/chibiThdState.png
* Start : 初始的狀態
* Suspended : Thread剛被create出來時的狀態,尚未決定要被放進ReadyList等待執行或是直接執行
* Running : 正在執行中的狀態
* Stop : 終止的狀態,到達這個狀態表示Thread被執行完了
* Sleeping : Thread暫時不進行工作。此時Thread會被暫時移出ReadyList。等待Mutex解鎖,等待其他Thread執行完,或是等待接收訊息時都會進入這個狀態。
* Ready : 被放進ReadyList, 等待被執行的狀態
ChbiOS/RT 初始化後會建立兩個 thread
+ Idle thread :
- priority level最低，只有在其他thread 處於sleep狀態時才會執行，通常在執行這個threaad時 系統會進入low power mode 且不會做任何事情
+ Main thread :
- priority=NORMALPRIO ，此thread在一開始執行main() function，且需要時可以變更自己的priority，通常其他的thread也都是由此建立的
Thread and Structure Reference
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.. image:: /thread_stuct.png
* 較重要的 member data
+ p_prio : Thread priority
+ p_ctx : Processor context, 紀錄 Thread 目前的執行狀態
+ p_state : 紀錄 Thread 目前所處於的狀態 (正在執行, 等待被執行, 等待某一個 Mutex 被解鎖....等)
+ p_preempt : 記錄這個 Thread 還有多少個 tick 可以用來執行
+ p_waiting : 一個單向的 Thread linked list。 當有其他 Thread 欲等待此 Thread 執行完時, 這些 Thread 就會被塞進這個 waiting list 裡面
+ p_msgqueue : 一個雙向的 Thread linked list。 用來存放欲傳給此 Thread 訊息的 Thread (詳見後面 IPC 的部分)。
+ p_mtxlist : Mutex 結構，用來存放此 Thread 目前佔有的 Mutex
行程間通訊 ( Inter-Process Communication, IPC )
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
* Semaphore
+ Counting Semaphore
- .. code-block:: c
typedef struct Semaphore
{
ThreadsQueue s_queue; /**< @brief Queue of the threads sleeping on this semaphore. */
cnt_t s_cnt; /**< @brief The semaphore counter. */
} Semaphore;
- 呼叫 chSemWaitS() 來等待,取用 Semaphore, chSemSignalI() 來釋放 Semaphore
+ Binary Semaphore
- 直接採用 Counting Semaphore 的方式實作 Binary Semaphore
- Counter 被限制為不能超過 1
- 一個 Binary Semaphore 不能重複做 signal 運算
* Mutex
+ .. code-block:: c
typedef struct Mutex
{
ThreadsQueue m_queue; /**< @brief Queue of the threads sleeping on this Mutex. */
Thread *m_owner; /**< @brief Owner @p Thread pointer or @p NULL. */
struct Mutex *m_next; /**< @brief Next @p Mutex into an owner-list or @p NULL. */
} Mutex;
+ 實作 Mutex (假設有 Thread A 欲鎖住一個 Mutex)
#. 先判斷這個 Mutex 有無其他 Thread 鎖著
#. 沒有的話就直接鎖住
#. 有的話會再判斷鎖住這個 Mutex 的 Thread ( 假設為Thread B ), 它的 priority 有沒有比 Thread A 大
#. 如果比 Thread A 大, 則 Thread A 會按照其 priority 被塞進這個 Mutex 的 m_queue 裡, 與其他 Thread 一起等待這個 Mutex 被解鎖
#. 如果比 Thread A 小, 則會先將 Thread B 的 priority 提升至跟 Thread A 一樣的 level, 並做 Reschedule 的動作，讓 Thread B 快點執行完。至於 Thread A 則會按照其 priority 被塞進這個 Mutex 的 m_queue 裡, 與其他 Thread 一起等待這個 Mutex 被解鎖。
* **Synchronous Messages**
在 ChibiOS / RT 之中，Thread 與 Thread 之間也有所謂的**同步訊息傳送/接收**機制
+ 傳送者 ( Sender )
- 呼叫 **chMsgSend()** 來傳送訊息
- 此時會被塞進接收者的 p_msgqueue 裡面(等待接收者提取訊息)
- 判斷接收者的狀態，並**喚醒**接收者，告知訊息已傳送，可以起來接收訊息了
- 傳送者自己本身會進入某種睡眠狀態 ( THD_STATE_SNDMSGQ )
- 接收者收到訊息後，**會呼叫 chMsgRelease() 喚醒傳送者，告知訊息傳遞已經結束，可以起來了**
+ 接收者 ( Reciever )
- 呼叫 **chMsgWait()** 來等待接收訊息
- 此時會先進入某種睡眠狀態 ( THD_STATE_WTMSG )
- 直到被傳送者喚醒後，會從自己的 p_msgqueue 裡面提取訊息接收
- 最後把傳送者的狀態設成 ( THD_STATE_SNDMSG )，**並呼叫 chMsgRelease()喚醒傳送者，告知訊息傳遞已經結束，可以起來了**
Ready List
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ChibiOS/RT 的 ready list以doubly linked list 實作
.. image:: /embedded/chibi_ready_list.png
數字愈大，優先權愈大 ( priority 相同的話，採用 round-robin strategy)
* 執行序的priority level
+ IDLEPRIO :
- value = 1
- 保留給Idle Thread的特殊priority level
+ LOWPRIO :
- value = 2
- user thread 中 priority level 最低
+ NORMALPRIO :
- value = 64
- main() thread從這個level開始，通常user thread 的priority level是以此為中心
+ HIGHPRIO :
- value = 127
- user thread 中 priority level 最高
選出下一個可執行的thread， 並進行Context Switch
`chsch.c<https://github.com/louis7340/ChibiOS-RT-Community/blob/master/os/kernel/src/chschd.c#L355>`_
.. code-block:: c
void chSchDoReschedule(void) {
#if CH_TIME_QUANTUM > 0
/* If CH_TIME_QUANTUM is enabled then there are two different scenarios to
handle on preemption: time quantum elapsed or not.*/
if (currp->p_preempt == 0) {
/* The thread consumed its time quantum so it is enqueued behind threads
with same priority level, however, it acquires a new time quantum.*/
chSchDoRescheduleBehind();
}
else {
/* The thread didn't consume all its time quantum so it is put ahead of
threads with equal priority and does not acquire a new time quantum.*/
chSchDoRescheduleAhead();
}
#else /* !(CH_TIME_QUANTUM > 0) */
/* If the round-robin mechanism is disabled then the thread goes always
ahead of its peers.*/
chSchDoRescheduleAhead();
#endif /* !(CH_TIME_QUANTUM > 0) */
}
* Round Robin scheduling
+ 執行中的thread 自主性地呼叫chThdYield() API，讓其他相同priority的thread來執行
+ 執行中的thread 自主性地進入sleep mode且當有thread被wake up時，執行中的thread 就會被中斷並插入其他任意一個相
同priority thread的後面
+ 執行中的thread被擁有更高priority的thread preempted，那麼執行中的thread 就會被中斷並插入其他任意一個相同priority
thread的後面
+ 如果thread 的執行時間超過 CH_TIME_QUANTUM (大於0)且有相同priority的thread在ready list中的話，那麼執行中的thread
就會被中斷並插入其他任意一個相同priority thread的後面
上下文交換(Context Switch)
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| context被分成兩部份：
| extctx {r0-r3, r12, lr_thd, pc, xpsr}
| intctx {r4-r11, lr}
|
| 在處理interrupt的時候儲存extctx，一般的context switch儲存intctx。
|
| _port_irq_epilogue()
.. code-block:: c
void _port_irq_epilogue(void) {
port_lock_from_isr();
if ((SCB_ICSR & ICSR_RETTOBASE) != 0) {
struct extctx *ctxp;
/* Current PSP value.*/
asm volatile ("mrs %0, PSP" : "=r" (ctxp) : : "memory");
/* Adding an artificial exception return context, there is no need to
populate it fully.*/
ctxp--;
asm volatile ("msr PSP, %0" : : "r" (ctxp) : "memory");
ctxp->xpsr = (regarm_t)0x01000000;
/* The exit sequence is different depending on if a preemption is
required or not.*/
if (chSchIsPreemptionRequired()) {
/* Preemption is required we need to enforce a context switch.*/
ctxp->pc = (void *)_port_switch_from_isr;
#if CORTEX_USE_FPU
/* Triggering a lazy FPU state save.*/
asm volatile ("vmrs APSR_nzcv, FPSCR" : : : "memory");
#endif
}
else {
/* Preemption not required, we just need to exit the exception
atomically.*/
ctxp->pc = (void *)_port_exit_from_isr;
}
#if CORTEX_USE_FPU
{
uint32_t fpccr;
/* Saving the special register SCB_FPCCR into the reserved offset of
the Cortex-M4 exception frame.*/
(ctxp + 1)->fpccr = (regarm_t)(fpccr = SCB_FPCCR);
/* Now the FPCCR is modified in order to not restore the FPU status
from the artificial return context.*/
SCB_FPCCR = fpccr | FPCCR_LSPACT;
}
#endif
/* Note, returning without unlocking is intentional, this is done in
order to keep the rest of the context switch atomic.*/
return;
}
port_unlock_from_isr();
}
| _port_switch_from_isr()
.. code-block:: c
void _port_switch_from_isr(void) {
dbg_check_lock();
chSchDoReschedule();
dbg_check_unlock();
asm volatile ("_port_exit_from_isr:" : : : "memory");
#if !CORTEX_SIMPLIFIED_PRIORITY || defined(__DOXYGEN__)
asm volatile ("svc #0");
#else /* CORTEX_SIMPLIFIED_PRIORITY */
SCB_ICSR = ICSR_PENDSVSET;
port_unlock();
while (TRUE)
;
#endif /* CORTEX_SIMPLIFIED_PRIORITY */
}
| SVCallVector()
.. code-block:: c
void SVCallVector(void) {
struct extctx *ctxp;
/* Current PSP value.*/
asm volatile ("mrs %0, PSP" : "=r" (ctxp) : : "memory");
/* Discarding the current exception context and positioning the stack to
point to the real one.*/
ctxp++;
#if CORTEX_USE_FPU
/* Restoring the special register SCB_FPCCR.*/
SCB_FPCCR = (uint32_t)ctxp->fpccr;
SCB_FPCAR = SCB_FPCAR + sizeof (struct extctx);
#endif
asm volatile ("msr PSP, %0" : : "r" (ctxp) : "memory");
port_unlock_from_isr();
}
| _port_switch()
.. code-block:: c
void _port_switch(Thread *ntp, Thread *otp) {
asm volatile ("push {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, lr}" ←儲存舊的thread的狀態
: : : "memory");
#if CORTEX_USE_FPU
asm volatile ("vpush {s16-s31}" : : : "memory");
#endif
asm volatile ("str sp, [%1, #12] \n\t" ←切換stack pointer所指的位址
"ldr sp, [%0, #12]" : : "r" (ntp), "r" (otp)); ←
#if CORTEX_USE_FPU
asm volatile ("vpop {s16-s31}" : : : "memory");
#endif
asm volatile ("pop {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, pc}" ←讀入新的thread的狀態
: : : "memory");
}
系統狀態(System States)
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
.. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/dot_inline_dotgraph_1.png
|
.. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/dot_inline_dotgraph_2.png
.. image:: http://chibios.sourceforge.net/html/dot_inline_dotgraph_3.png
* Init
+ ChibiOS/RT 進行OS初始化之前的狀態，進行所謂的物理重置(physical reset)時也會進到這個狀態
+ 呼叫chSysInit()這個函式進行初始化
+ 在這個狀態裡所有可以發出Maskable Interrupt的sources全部失效
+ 初始化完後進到 Normal
* Normal
+ 初始化完後到達的狀態
+ 在這裡可以執行Thread, 接收並處理任何中斷及呼叫任何system API
* Suspended
+ 在這個狀態裡，無法接收正常中斷(IRQ)，但是可以接收快速中斷(FIQ)
+ 除了可以呼叫chSysDisable()到達Disable狀態，以及chSysEnable()到達Normal狀態之外，其他所有system API都不能呼叫
* Disabled
+ 所有可遮罩式中斷資源全部失效，系統僅能處理不可遮罩式中斷(NMI)
+ 除了可以呼叫chSysEnable()到達Normal狀態，以及chSysSuspend()到達Suspended狀態之外，其他所有system API都不能呼叫
* Sleep
+ 當系統中沒有其他的Thread要跑時，此時系統會執行一個 `idle thread<idle thread>`_，到達這個狀態
+ 此時系統將處於 low power mode，並等待一個中斷跳出這個狀態
+ 接收到一個IRQ時，將會跑到 SRI 狀態去處理中斷，處理完後會回到 Normal
* S-Locked
+ 在 Normal 的狀態中呼叫 chSysLock() 之後會進入此狀態
+ 此時系統會進入 Kernel locked 的狀態
+ 此時處理器會跑在 thread-privileged mode
+ 在這個狀態裡，無法接收正常中斷(IRQ)，但是可以接收快速中斷(FIQ)
+ 在這個狀態裡可以使用 S class 和 I class 的 API
+ 呼叫 chSysUnlock() 會回到 Normal 狀態
* I-Locked
+ 在 SRI 的狀態中呼叫 chSysLockFromIsr() 之後會進入這個狀態
+ 此時系統會進入 Kernel locked 的狀態
+ 此時處理器會跑在 exception-privileged mode
+ 在這個狀態裡，無法接收正常中斷(IRQ)，但是可以接收快速中斷(FIQ)
+ 在這個狀態裡可以使用 I class 的 API
+ 呼叫 chSysUnlockFromIsr() 會回到 SRI 狀態
* Serving Regular Interrupt ( SRI )
+ 處理一個正常中斷 ( IRQ ) 時，會進入這個狀態
+ 此時只有更高等級的中斷能夠進行搶佔
+ 此時處理器會跑在 exception-privileged mode
+ 此時無法呼叫大部分的 system API，除非先呼叫 chSysLockFromIsr() 進入 I-Locked state，之後才能夠進行其他 API 的呼叫
* Serving Fast Interrupt ( SFI )
+ 處理一個快速中斷 ( FIQ ) 時會進入這個狀態
+ 無法呼叫所有 system API
+ 除了 Init , Halted , SNMI , Disabled 之外的任一狀態，只要接收到 FIQ 就會跳到這個狀態，處理完後會回到上一狀態
* Serving Non-Maskable Interrupt ( SNMI )
+ 處裡一個不可遮罩式的中斷時 (NMI) 會進入這個狀態
+ 無法呼叫所有 system API
+ 除了 Halted 的任一狀態裡只要接收到 NMI，或是在 Halted 中收到非同步的 NMI 時就會跳到這個狀態，處理完後會回到上一狀態
* Halted
+ 呼叫 chSysHalt() 時會進入這個狀態
+ 所有中斷都不能使用
硬體驅動原理
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* 以 DMA2D 為例
* DMA2D的架構簡圖：
.. image:: /DMA2D_structure.png
* 在對硬體的driver作設計時會用到很多_IO的type
+ 在`core_cm4.h<https://github.com/rbugoo131/ChibiOS-RT-Community/blob/master/os/ports/common/ARMCMx/CMSIS/include/core_cm4.h#L207>`_裡找到相關定義
.. code-block:: c
#define __IO volatile /*!< Defines 'read / write' permissions*/
* DMA2D memory address
+ 記錄在`stm32f4xx.h<https://github.com/rbugoo131/ChibiOS-RT-Community/blob/master/os/hal/platforms/STM32F4xx/stm32f4xx.h>`_
.. code-block:: c
#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000) /*!< Peripheral base address in the alias region
#define AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x00020000)
#define DMA2D_BASE (AHB1PERIPH_BASE + 0xB000)
#define DMA2D ((DMA2D_TypeDef *)DMA2D_BASE)
* 設定要取得的資料
.. code-block:: c
static uint8_t frame_buffer[240 * 320 * 3] __attribute__((section(".sdram")));
* DMA2D的API與資料結構設定，記錄在`stm32_dma2d<https://github.com/rbugoo131/ChibiOS-RT-Community/tree/master/os/hal/platforms/STM32/DMA2Dv1>`_
+ dma2d_layercfg_t的struct
========== ==== ================ ==== ===============
Type Name Description
-------------------------------------------------------------
void *bufferp Frame buffer address
size_t wrap_offset Offset between lines, in pixels
dma2d_pixfmt_t fmt Pixel format
dma2d_color_t def_color Default color, RGB-888
uint8_t const_alpha Constant alpha factor
dma2d_palcfg_t *palettep Palette specs, or @p NULL
========== ==== ================ ==== ===============
* 設定DMA2D取得memory data的位址(API)：
- dma2dBgSetConfig
+ dma2dBgSetConfigS
- dma2dBgSetAddressI
- dma2dBgSetWrapOffsetI
- dma2dBgSetPixelFormatI
- dma2dBgSetDefaultColorI
- dma2dBgSetConstantAlphaI
* DMA2D TypeDef：
============== === ================================================ == =====================
Name Description Address offset
------------------------------------------------------------------------------------------------
CR Control Register 0x00
ISR Interrupt Status Register 0x04
IFCR Interrupt Flag Clear Register 0x08
FGMAR Foreground Memory Address Register 0x0C
FGOR Foreground Offset Register 0x10
BGMAR Background Memory Address Register 0x14
BGOR Background Offset Register 0x18
FGPFCCR Foreground PFC Control Register 0x1C
FGCOLR Foreground Color Register 0x20
BGPFCCR Background PFC Control Register 0x24
BGCOLR Background Color Register 0x28
FGCMAR Foreground CLUT Memory Address Register 0x2C
BGCMAR Background CLUT Memory Address Register 0x30
OPFCCR Output PFC Control Register 0x34
OCOLR Output Color Register 0x38
OMAR Output Memory Address Register 0x3C
OOR Output Offset Register 0x40
NLR Number of Line Register 0x44
LWR Line Watermark Register 0x48
AMTCR AHB Master Timer Configuration Register 0x4C
RESERVED[236] Reserved 0x50-0x3FF
FGCLUT[256] Foreground CLUT 400-7FF
BGCLUT[256] Background CLUT 800-BFF
============== === ================================================ == =====================
效能表現
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* 參考 ChibiOS/RT 的 test/testbmk.c
參考資料
--------
* `Building eye-catching GUIs for your embedded MCU designs<http://www.embedded.com/design/mcus-processors-and-socs/4426244/1/Building-eye-catching-GUIs-for-your-embedded-MCU-designs>`_
* `ChibiOS/RT - SourceForge<http://chibios.sourceforge.net/html/index.html>`_
* `Overview of the Cortex-M3, Chapter 2<http://www.arm.com/files/word/Yiu_Ch2.pdf>`_
