GD32F30X适配CMSIS RTOS2(RTX5内核)

关于版权许可

CMSIS软件包开源协议是Apache 2.0，因此可以用在闭源的商业项目中，CMSIS-RTOS2是一套ARM设计的操作系统API，目的是在不同的操作系统内核之间形成一套通用的上层API，CMSIS-RTOS2有主流的操作系统兼容层，例如freertos，rt-thread，huawei liteos-m等。
CMSIS-RTOS API也有一套默认的实时系统内核绑定，他们之间的对应关系如下：

cmsis软件包	keil rtx	状态
CMSIS RTOS	RTX4	不维护
CMSIS RTOS2	RTX5	持续更新

RTX5已经和Keil-MDK解除绑定了，如果不使用Keil集成开发环境，免费使用RTX5的方法：

从Github下载CMSIS软件包
使用免费的编译器(Clang或GCC)和集成开发环境(ARM-Eclipse)

软件包下载

DAPLink集成的rtos2：
https://github.com/ARMmbed/DAPLink/tree/main/source/rtos2
CMSIS软件包，提供很多移植示例：
https://github.com/ARM-software/CMSIS_5/tree/develop/CMSIS/RTOS2

开发环境

编译器：GNU Arm Embedded Toolchain 10.3-2021.10
集成开发环境：Eclipse IDE for Embedded C/C++ Developers 2022-3

RTOS2移植

新建一个ARM Cortex-M空工程，将所使用MCU的启动文件，gcc链接脚本，cmsis软件接口，标准外设库等文件放入工程目录，然后配置下编译选项即可。
将rtos2包含系统源码的文件夹复制到工程目录，进入\rtos2\RTX\Source目录，ARM和GCC文件夹存放了rtos2系统调用和线程切换的汇编实现，这里删除ARMCC编译器相关代码，然后进入GCC文件夹，由于这里使用GD32F30X，是cortex-m4f架构，因此只保留irq_cm4f.S
适配系统心跳时钟，\rtos2\Source\os_systick.c，该文件只有定义了SysTick才会参与编译，实际上只需要将所使用MCU提供的CMSIS通用接口文件包含进来，这里#include "core_cm4.h"，SysTick结构体在core_cm4.h文件中被定义了。

os_systick.c默认使用的是SysTick寄存器组结构体对内部定时器的寄存器进行修改，这里也可以改成直接操作寄存器，看个人喜好了。
配置rtos2系统选项，\rtos2\Include\RTX_Config.h，使用KEIL-MDK可以图形化配置，但这里我未购买keil使用许可，直接改RTX_Config.h头文件也是一样的。
每个选项的细节可以参考这里：https://blog.csdn.net/tyuthhh/article/details/104933826
配置空闲线程低功耗指令（这一步也可以不做），进入\rtos2\RTX\RTX_Config.c，添加__WFI();配置CPU在空闲时等待中断唤醒。（对于单核CPU来说，使用WFI即可，多核需要考虑使用WFE，并且在某一核心释放自旋锁时使用SEV通知）
新建一个main.c文件，放入用户代码，由于我在启动汇编文件startup_gd32f30x_hd.S中的c函数入口是entry那么c代码应该实现在entry函数中。由于rtos2初始化过程是由系统调用(SVC软中断)实现的，由于中断模式下使用MSP，因此裸机阶段的C栈需要适当给大点，一般2K字节的栈就够用了。

#include <string.h>
#include <stdbool.h>
#include "system_gd32f30x.h"
#include "cmsis_os2.h"
#include "rtt.h"

void app_main (void *argument) {
    const char * const ptr = "hello cmsis rtos2\n";
    unsigned len = strlen(ptr);
    (void)argument;

    while(true) {
        osDelay(1000);
        rtt_write(0, ptr, len);
    }
}


void entry(void) {
    const char * const ptr = "hello entry\n";
    unsigned len = strlen(ptr);

    SystemCoreClockUpdate();

    rtt_init();
    rtt_write(0, ptr, len);

    osKernelInitialize();                 // Initialize CMSIS-RTOS
    osThreadNew(app_main, NULL, NULL);    // Create application main thread
    osKernelStart();                      // Start thread execution
    // 这里需要加while(1)卡住执行
    // 防止当osKernelStart调用结束，而系统心跳中断未到来的这小段时间跑飞
    while(true);
}

进行编译运行，可以看到资源占用情况，这里我给动态内存分配了8KB，另外使用了打印日志的segger-rtt组件，其中输出缓冲区分配1024字节，输入缓冲区分配64字节。
（如果只编译裸内核，预计代码大概5K，内存需求约2K）

用户线程的细节

在rtos2中，用户线程可自行结束，也就是说用户线程不一定要在一个whil(1)死循环中周期执行，若线程只执行一次，那么按照常规的函数编写就行了；作为对比，在FreeRTOS中是不允许线程自行结束，一旦线程函数return后，这个任务的指针就会成一个不确定值，任务调度的时候就跑飞，如果一个任务不需要了，需要调用vTaskDelete显式的将其删除（当然也可以修改内核添加线程自动结束功能）。因此rtos2使用起来就方便一些，顺带一提rt-thread也可以自行结束线程。
rtos2的线程代码示例

// 需要周期执行的线程
void app_main (void *argument) {
    (void)argument;
    while(true) {
        // do something...
    }
}
// 只执行一次的线程，线程函数没有返回值
void app_main (void *argument) {
    (void)argument;
    
    // do something...
}

freertos的示例

static void main_task(void* args)
{
    app_main();
    // 结束前必须调用vTaskDelete
    vTaskDelete(NULL);
}

当用户使用osThreadNew创建线程时，函数原型:

osThreadId_t osThreadNew (osThreadFunc_t func, void *argument, const osThreadAttr_t *attr)

实际上进行了一次__svcThreadNew系统调用，SVC0_3 (ThreadNew, osThreadId_t, osThreadFunc_t, void *, const osThreadAttr_t *)宏定义展开

__attribute__((always_inline))                                                 \
static inline osThreadId_t  __svcThreadNew (osThreadFunc_t a1, void * a2, const osThreadAttr_t * a3) {                             \
  register uint32_t __r0 __asm("r""0") = (uint32_t)a1;                                                              \
  register uint32_t __r1 __asm("r""1") = (uint32_t)a2;                                                              \
  register uint32_t __r2 __asm("r""2") = (uint32_t)a3;                                                              \
  register uint32_t __rf   __asm("r12") = (uint32_t)svcRtxThreadNew;                                                         \
  __asm volatile ("svc 0" : "=r"(__r0) : "r"(__rf),"r"(__r0),"r"(__r1),"r"(__r2) : );                                       \
  return (osThreadId_t) __r0;                                                             \
}

可以看到，在进SVC中断之前，将参数放在了r0~r3中，将目标函数指针svcRtxThreadNew放在了r12中，进入\rtos2\RTX\Source\GCC\irq_cm4f.S，SVC_Handler子程序可以看到实际是调用r12的函数svcRtxThreadNew

由svcRtxThreadNew函数做一些线程创建前的准备工作：

在该函数中，对线程的LR寄存器做了配置，将其指向osThreadExit，由于线程函数和普通函数在ARM内核执行是没有区别的(ARM内核只是个无情的跑码机器)，那么线程函数正常结束时，会将PC指向LR寄存器的地址(BX LR或者MOV PC, LR)也就是将控制权移交给osThreadExit。

当然了osThreadExit 也是个系统调用，__svcThreadExit展开后实际是调用了svcRtxThreadExit函数。

在svcRtxThreadExit 函数中做当前线程结束时的一些动作：

释放当前线程持有的互斥锁osRtxMutexOwnerRelease(thread->mutex_list)
如果有其他线程等待当前线程结束(thread join)，那么也需要通知到thread->thread_join等待线程列表中的其他线程osRtxThreadWaitExit(thread->thread_join, (uint32_t)osOK, FALSE);
找到下一个就绪线程，将当前执行线程指向就绪线程osRtxThreadSwitch(osRtxThreadListGet(&osRtxInfo.thread.ready));如果没有其他活动线程，那么自动切入idle线程，在rtos2中由于资源回收已经在svcRtxThreadExit函数中完成了，因此idle线程就是个while(1)循环（rt-thread是在idle线程回收僵尸线程占用的资源）
标记当前线程无效，并进行内核对象资源回收，osRtxThreadFree(thread);

总结

cmsis rtos2自身提供了常见ARM架构的线程切换汇编文件，移植起来还是比较简单的；系统本身只提供了基础的内核对象和调度器功能，与他对标的应该是FreeRTOS这类简单系统，和rt-thread这种大而全的系统使用体验上就没法相比了。
优点：

移植容易，代码量小容易理解，在RTOS使用SVC切入内核态思路不错(虽然大部分MCU不带MPU或MMU无法完成权限和地址空间隔离)
最大限度的发挥M内核的优势，零中断延迟
RTX5的汽车级，工业级，医疗和铁路安全认证已经通过(只有裸内核认证了，认证后的版本应该要收钱)

缺点：

中间件用的人不多，例如设备框架以及虚拟文件系统，这方面rt-thread做的非常不错
未提供人机交互的shell
未提供Posix兼容API，也不自带C库实现

rtos2适配到GD32F30X示例代码：
https://github.com/Yanye0xFF/gd32f30x_cmsis_rtos2

参考资料：
https://www.cnblogs.com/ivan0512/tag/RTX/

posted @ 2022-09-11 15:41 Yanye 阅读(1125) 评论(0) 编辑收藏举报

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