版本 9e1bd1acd65c9270be8074eeac173b86f64082bf

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序。最小化的FreeRTOS內核僅包括3個（.c）文件和少數頭文件，總共不到9000行代碼，還包括了註釋和空行。一個典型的編譯後（二進制）代碼映像小於10KB。

FreeRTOS的代碼可以分解為三個主要區塊：任務，通訊，和硬件接口。

●任務：大約有一半的FreeRTOS的核心代碼用來處理多數操作系統首要關注的問題：任務。任務是給定優先級的用戶定義的C函數。 task.c和task.h完成了所有有關創建，調度，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核心代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，並且使用信號燈和互斥來發送臨界資源的使用情況。

●硬件接口：接近9000行的代碼拼湊起基本的FreeRTOS，是硬件無關的；相同的代碼都能夠運行，不論FreeRTOS是運行在不起眼的8051，還是最新、最炫的ARM內核上。大約有6%的FreeRTOS的核心代碼，在硬件無關的FreeRTOS內核與硬件相關的代碼間扮演著墊片的角色。我們將在下個部分討論硬件相關的代碼。

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 : FreeRTOS將各種優先權的Task放在Readylist
Running : 透過FreeRTOS的排程，依照優先權的高低依序給CPU執行
Block :
Suspended :
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

/* 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：

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 ：就路優先權

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：

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>_

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參考資料