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FreeRTOS

組員

梁穎睿 / TheKK
李奇霖 / Shinshipower
方威迪 / waynew30777
陳盈伸 / shin21

共筆

Link<https://hackpad.com/FreeRTOSV8.0.0-PU3awKuzHz6#:h=%3Chardware-interfacing%3E>_

FreeRTOS架構

FreeRTOS是一個相對較小的應用程式。最小化的FreeRTOS內核僅包括3個（.c）文件和少數標頭檔，總共不到9000行程式碼，還包括了註解和空行。一個典型的編譯後（二進制）binary小於10KB。

FreeRTOS的程式碼可以分解為三個主要區塊：任務，通訊，和硬體界面。

●任務：大約有一半的FreeRTOS的核心程式碼用來處理多數作業系統首要關注的問題：任務。任務是給定優先權的用戶定義的C函數。 task.c和task.h完成了所有有關創造，排程，和維護任務的繁重工作。

●通訊：任務很重要，不過任務間可以互相通訊則更為重要！它給我們帶來FreeRTOS的第二項任務：通訊。大約40%的FreeRTOS核心程式碼是用來處理通訊的。 queue.c和queue.h是負責處理FreeRTOS的通訊的。任務和中斷使用隊列互相發送數據，並且使用semaphore和mutex來發送critical section的使用情況。

●硬體界面：接近9000行的程式碼拼湊起基本的FreeRTOS，是和硬體無關的；相同的程式碼都能夠運行，大約有6%的FreeRTOS的核心代碼，在硬體無關的FreeRTOS內核與硬體相關的程式碼間扮演著墊片的角色。我們將在下個部分討論硬體相關的程式碼。

硬體方面:

portmacro.h:

定義了硬體相關變數，如資料形態定義，以及硬體相關的函式呼叫的名稱定義(以portXXXXX爲名)等，統一各平臺呼叫函式的

port.c:

定義了包含和硬體相關的程式碼的實作

FreeRTOSConfig.h:

包含Clock speed, heap size, mutexes等等都在此定義

Task的狀態

.. image:: /Task狀態.png

Ready : 準備好要執行的狀態
Running : 正在給CPU執行的狀態
Block : 等待中的狀態
Suspended :等待中的狀態

每一種狀態狀態FreeRTOS都會給予一個list儲存（除了runnning)

Ready list的資料形態

<> >>變數 char類型：以 c 為字首 short類型：以 s 為字首 long類型：以 l 為字首 float類型：以 f 為字首 double類型：以 d 為字首 Enum變數：以 e 為字首其他（如struct）：以 x 為字首 pointer有一个額外的字首 p , 例如short類型的pointer字首為 ps unsigned類型的變數有一個額外的字首 u , 例如unsigned short類型的變數字首為 us

Functions 文件内：以 prv 為字首 API：以其return類型為字首，按照對變數的定義名字：以其所在的文件名開頭。如vTaskDelete即在Task.c文件中名稱

FreeRTOS使用ready list去管理待準備好要執行的tasks而ready list的資料儲存方式如下圖

.. image:: /freertos-figures-full-ready-list-2.png

Context Switch 時選出下一個欲執行的task

下面是在ready list中依照優先度選取執行目標的程式其中，FreeRTOS的優先度排序最小優先權爲0，數字越大則優先權越高

.. code-block:: c

/* In file: Source/tasks.c */
while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ) )
{
    configASSERT( uxTopReadyPriority );
    --uxTopReadyPriority;
}
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) );

/*In file: Source/include.h */
#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList )
{
    List_t * const pxConstList = ( pxList );
    /* Increment the index to the next item and return the item, ensuring */
    /* we don't return the marker used at the end of the list.  */
    ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; 
    if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) )  \
    {
        ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;
    }
    ( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner;
}

創造全新task

TCB的資料結構：

.. code-block:: prettyprint

typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile portSTACK_TYPE *pxTopOfStack;                  /* Points to the location of

 typedef struct tskTaskControlBlock
{
  volatile portSTACK_TYPE *pxTopOfStack;                  /* Points to the location of
                                                         the last item placed on 
                                                         the tasks stack.  THIS 
                                                         MUST BE THE FIRST MEMBER 
                                                         OF THE STRUCT. */

  xListItem    xGenericListItem;                          /* List item used to place 
                                                         the TCB in ready and 
                                                         blocked queues. */
  xListItem    xEventListItem;                            /* List item used to place 
                                                         the TCB in event lists.*/
  unsigned portBASE_TYPE uxPriority;                      /* The priority of the task
                                                         where 0 is the lowest 
                                                         priority. */
  portSTACK_TYPE *pxStack;                                /* Points to the start of 
                                                         the stack. */
  signed char    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];   /* Descriptive name given 
                                                         to the task when created.
                                                         Facilitates debugging 
                                                         only. */

  #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
    portSTACK_TYPE *pxEndOfStack;                         /* Used for stack overflow 
                                                         checking on architectures
                                                         where the stack grows up
                                                         from low memory. */
  #endif

  #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
    unsigned portBASE_TYPE uxBasePriority;                /* The priority last 
                                                         assigned to the task - 
                                                         used by the priority 
                                                         inheritance mechanism. */
  #endif

} tskTCB;

pxTopOfStack , pxEndOfStack :紀錄Stack的大小

uxPriority , uxBasePriority ：紀錄優先權 ,而後者是紀錄原本的優先權（可能發生再Mutux)

xGenericListItem , xEventListItem : 當一個任務被放入到FreeRTOS的一個列表中，被插入pointer的地方

xTaskCreate()函數被調用的時候，一個任務被創建。 FreeRTOS為一個任務新分配一個TCB對象，來記錄它的名稱，優先級，和其他細節，接著分配用戶請求的總的堆棧（假設有足夠使用的內存）和在TCB的pxStack成員中記錄堆內存的開始。

而這段程式碼就是ARM Cortex-M4將剛建造好的好的task將暫存器裡的資訊存入stck裡

.. code-block:: c

StackType_t *pxPortInitialiseStack( StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void  *pvParameters )
 {
/* Simulate the stack frame as it would be created by a context switch
interrupt. */

/* Offset added to account for the way the MCU uses the stack on entry/exit
of interrupts, and to ensure alignment. */
pxTopOfStack--;

*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR;	/* xPSR */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pxCode;	/* PC */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = ( StackType_t ) portTASK_RETURN_ADDRESS;	/* LR */

/* Save code space by skipping register initialisation. */
pxTopOfStack -= 5;	/* R12, R3, R2 and R1. */
*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters;	/* R0 */

/* A save method is being used that requires each task to maintain its
own exec return value. */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = portINITIAL_EXEC_RETURN;

pxTopOfStack -= 8;	/* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */

return pxTopOfStack;
}

而當ARM Cortex-M4處理器在task遇上中斷時，會將register之內容push上該task的stack的頂端，待下次運行時pop回去以下是在 port.c裡的實作

.. code-block:: c

 void xPortPendSVHandler( void )
 {	/* This is a naked function. */
	__asm volatile
	(
	"	mrs r0, psp							\n"
	"	isb									\n"
	"										\n"

" ldr r3, pxCurrentTCBConst " /* Get the location of the current TCB. / " ldr r2, [r3] " " " " tst r14, #0x10 " / Is the task using the FPU context? If so, push high vfp registers. / " it eq " " vstmdbeq r0!, {s16-s31} " " " " stmdb r0!, {r4-r11, r14} " / Save the core registers. / " " " str r0, [r2] " / Save the new top of stack into the first member of the TCB. / " " " stmdb sp!, {r3} " " mov r0, %0 " " msr basepri, r0 " " bl vTaskSwitchContext " " mov r0, #0 " " msr basepri, r0 " " ldmia sp!, {r3} " " " " ldr r1, [r3] " / The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. / " ldr r0, [r1] " " " " ldmia r0!, {r4-r11, r14} " / Pop the core registers. / " " " tst r14, #0x10 " / Is the task using the FPU context? If so, pop the high vfp registers too. / " it eq " " vldmiaeq r0!, {s16-s31} " " " " msr psp, r0 " " isb " " " #ifdef WORKAROUND_PMU_CM001 / XMC4000 specific errata workaround. */ #if WORKAROUND_PMU_CM001 == 1 " push { r14 } " " pop { pc } " #endif #endif " " " bx r14 " " " " .align 2 " “pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB ” ::“i”(configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY) ); }

硬體驅動原理
以 GPIO</embedded/GPIO>_ 為例
- 參考 STM32Cube_FW_F4_V1.1.0/Projects/STM32F429I-Discovery/Examples/GPIO/GPIO_EXTI/readme.txt 創造全新task TCB的資料結構：

效能表現

●context switch 我們想得知FreeRTOS的context switch時間，並想出一個測試方法：

.. image:: /embedded/test1contextSwitch.jpg 1. 首先創建task1和task2，其中task2的priority大於task1的priority。task2先執行時，馬上就進行vTaskDelay使task2移至block狀態1秒，這時就會發生context switch，換成task1執行，這1秒的時間，task1不斷的進行i++，直到1秒結束後，回到task2執行，再由task2印出i值，並把i重新設0，此為一個週期。此動作可得到i在一秒時可跑至多少，設一秒可跑至k值。

設定一個task3其priority高於task2，讓task3執行vTaskDelay 300秒，當300秒結束後，會中斷task1所執行的i++。再由task3印出i值，設其為final_i，k值與final_i值的差額，即為context switch的總時間。

下圖為隨機挑出45個i值做成圖表，其中平均i值為：4280015

.. image:: /embedded/test2contextSwitch.jpg 接著我們測出的final_i值，平均為：3913853，故可得到 (4280015 - 3913853)/ 4280015 = 0.0855 (秒)

0.0855秒代表在300秒的測試內的所有context switch時間之總和

而因為一個週期（第一個步驟）會經過2個context switch（上圖），我們測300內共有600個context switch，故我們測出每個context switch約為：0.0855 / 600 = 142.5（us）

●interrupt latency

我們的架構為是手動設定一個external interrupt，發生在BUTTON_USER按下時，下面程式是我們的實作：

.. code-block:: c

i = 0;
while( STM_EVAL_PBGetState( BUTTON_USER ) ){
    i++;
}

當BUTTON_USER按下後，會先執行i++直到interruptHandler處理interrupt，讀i值即可得知interrupt latency，而實作結果發現i依舊為0。

●IPC（Inter-Process Communication） throughput

●realtime capability

參考資料

The Architecture of Open Source Applications: FreeRTOS<http://www.aosabook.org/en/freertos.html>_
- 簡體中文翻譯<http://www.ituring.com.cn/article/4063>_
Study of an operating system: FreeRTOS</embedded/FreeRTOS_Melot.pdf>_
FreeRTOS 即時核心實用指南</embedded/FreeRTOS-manual-zh.pdf>_

版本 9aeaf35d3ade38525c0750d6e00adb11b33939a9

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效能表現

參考資料