RT-Thread操作系统的FreeRTOS兼容层
Github地址
https://github.com/RT-Thread-packages/FreeRTOS-Wrapper
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本项目是2022年开源之夏,RT-Thread社区项目。已经于2022年9月由唐照洲(美国佐治亚理工学院,大四)顺利结项完成。FreeRTOS兼容层目前已经落地到RT-Thread对ESP32-IDF(唐照洲)和core-v-mcu(王顺)两款SDK的兼容项目中。
1 概述
这是一个针对RT-Thread国产操作系统的FreeRTOS操作系统兼容层,可以让原有基于FreeRTOS操作系统的项目快速、无感地迁移到RT-Thread操作系统上,实现在RT-Thread操作系统上无感的使用FreeRTOS的API,同时可以使用RT-Thread的丰富组件。项目基于FreeRTOS V10.4.6版本。
1.1 RT-Thread的其他RTOS兼容层
-
RT-Thread操作系统的μCOS-III兼容层:https://github.com/mysterywolf/RT-Thread-wrapper-of-uCOS-III
-
RT-Thread操作系统的μCOS-II兼容层:https://github.com/mysterywolf/RT-Thread-wrapper-of-uCOS-II
-
RT-Thread操作系统的RTX(即CMSIS-RTOS1)兼容层:https://github.com/RT-Thread-packages/CMSIS_RTOS1
-
RT-Thread操作系统的RTX5(即CMSIS-RTOS2)兼容层:https://github.com/RT-Thread-packages/CMSIS_RTOS2
-
RT-Thread操作系统的Arduino生态兼容层:https://github.com/RTduino/RTduino
2 FreeRTOS的API支持情况及使用注意事项
API支持情况详见,readme 链接如下:
https://github.com/RT-Thread-packages/FreeRTOS-Wrapper
(请复制至外部浏览器打开)
兼容层对FreeRTOS的支持情况记录在issue中记录。一些支持的函数在功能和使用方法上和FreeRTOS略有不同,在迁移过程中需要注意。
2.1线程、消息队列与互斥量
2.1.1 vTaskSuspend
vTaskSuspend
只支持挂起当前运行的线程,在使用时xTaskToSuspend
参数必须为NULL
。否则会触发断言。
2.1.2 xQueueSendToFront
xQueueSendToFront
不支持设置超时,使用时xTicksToWait
参数会被忽略,消息队列没有空间时会立即返回errQUEUE_FULL
。
2.1.3 xQueueCreateStatic
静态消息队列需要参考以下的例子创建,确保为消息队列分配的内存足够大:
-
1#define QUEUE_LENGTH 10
-
2#define ITEM_SIZE sizeof( uint32_t )
-
3
-
4/* 以下是在原版FreeRTOS分配内存的方法,由于RT-Thread消息队列内部的实现与FreeRTOS不同,这样分配的内存不够存放ITEM_SIZE个消息 */
-
5//uint8_t ucQueueStorage[ QUEUE_LENGTH * ITEM_SIZE ];
-
6/* 要使用QUEUE_BUFFER_SIZE宏分配内存 */
-
7uint8_t ucQueueStorage[ QUEUE_BUFFER_SIZE(QUEUE_LENGTH, ITEM_SIZE)];
-
8StaticQueue_t xQueueBuffer;
-
9QueueHandle_t xQueue1;
-
10xQueue1 = xQueueCreate( QUEUE_LENGTH, ITEM_SIZE, &( ucQueueStorage[ 0 ] ), &xQueueBuffer );
2.1.4 Mutex和Recursive Mutex
FreeRTOS提供了两种互斥量,Mutex和Recursive Mutex。Recursive Mutex可以由同一个线程重复获取,Mutex不可以。RT-Thread提供的互斥量是可以重复获取的,因此兼容层也不对Mutex和Recursive Mutex做区分。
用xSemaphoreCreateMutex和xSemaphoreCreateRecursiveMutex创建的互斥量都是可以重复获取的。
2.2 定时器
和FreeRTOS不同,RT-Thread不使用一个消息队列向定时器线程传递命令。使用兼容层时任何需要设置超时的定时器函数,如xTimerStart( xTimer, xTicksToWait )
,xTicksToWait
参数会被忽略,函数会立即完成命令并返回。
2.3 FromISR函数
FreeRTOS为一些函数提供了在中断中使用的FromISR版本,如果这些函数唤醒了更高优先级的线程,需要手动调度,如下所示:
-
1BaseType_t xHigherPrioritTaskWoken = pdFALSE;
-
2xQueueSendToFrontFromISR( xRxQueue, &cIn, &xHigherPriorityTaskWoken );
-
3if( xHigherPriorityTaskWoken )
-
4{
-
5 taskYIELD ();
-
6}
RT-Thread不为函数提供FromISR版本,函数可以在中断调用并在内部完成调度。因此在兼容层中使用FromISR函数后不需要手动调度,xHigherPriorityTaskWoken
总会被设置成pdFALSE
。
2.4 内存堆
兼容层保留了FreeRTOS的五种内存分配算法,默认使用heap_3
,pvPortMalloc/vPortFree
内部调用RT_KERNEL_MALLOC/RT_KERNEL_FREE
在RT-Thread内部的内存堆分配。这种情况下内存堆的大小由RT-Thread BSP配置决定,无法在FreeRTOSConfig.h
中通过configTOTAL_HEAP_SIZE
设置。若使用其他算法,需要修改FreeRTOS/sSConscript
,选择相应的源文件
-
1#可将heap_3.c替换成heap_1.c等
-
2src = Glob(os.path.join("portable", "MemMang", "heap_3.c"))
在FreeRTOS/portable/rt-thread/FreeRTOSConfig.h
中通过configTOTAL_HEAP_SIZE
设置内存堆大小。应用调用pvPortMalloc/vPortFree
会在一块独立于RT-Thread,大小为configTOTAL_HEAP_SIZE
的内存堆中分配,RT-Thread内部的内存堆仍然存在,兼容层函数内部分配内存都在RT-Thread的内存堆完成。
2.5 线程优先级
RT-Threa线程优先级数值越小时优先级越高,而FreeRTOS线程优先级数值越大优先级越高。在使用兼容层的FreeRTOS API,如xTaskCreate
,使用FreeRTOS的规则为线程指定优先级即可。若在应用中将RT-Thread和FreeRTOS API混合使用,在指定线程优先级时要特别注意。可以使用以下两个宏对RT-Thread和FreeRTOS线程优先级做转换:
-
1#define FREERTOS_PRIORITY_TO_RTTHREAD(priority) ( configMAX_PRIORITIES - 1 - ( priority ) )
-
2#define RTTHREAD_PRIORITY_TO_FREERTOS(priority) ( RT_THREAD_PRIORITY_MAX - 1 - ( priority ) )
2.6 线程堆栈大小
FreeRTOS线程堆栈大小的单位为sizeof(StackType_t)
,RT-Thread线程堆栈大小为sizeof(rt_uint8_t)
。使用FreeRTOS API创建线程时一定要遵守FreeRTOS的规则,切勿混淆。
2.7 vTaskStartScheduler
由于RT-Thread和FreeRTOS的内核启动流程不同,使用兼容层时,main
函数是在一个线程中运行,该线程优先级为CONFIG_RT_MAIN_THREAD_PRIORITY
。(此选项通过SCons配置,数值越小优先级越高。),此时调度器已经开启。一般的FreeRTOS应用采用以下的方式创建线程:
-
1xTaskCreate(pxTask1Code, ......);
-
2xTaskCreate(pxTask2Code, ......);
-
3......
-
4vTaskStartScheduler();
使用兼容层时,任何使用xTaskCreate
创建的线程若优先级比CONFIG_RT_MAIN_THREAD_PRIORITY
更高,会立即开始执行。vTaskStartScheduler
只是为了提供对应用的兼容,没有任何实际效果。在使用兼容层时,创建线程要特别注意,确保在调用xTaskCreate
时,该线程所需的所有资源已经完成初始化,可以正常运行。
3 使用方法
通过Env工具将兼容层加入到工程中:
-
1RT-Thread online packages
-
2 system packages --->
-
3 [*] FreeRTOS Wrapper --->
-
4 Version (latest)
使用scons --menuconfig
配置RT-Thread内核,以下选项会影响到FreeRTOS兼容层:
-
1RT_USING_TIMER_SOFT /* 使用FreeRTOS定时器时必须开启*/
-
2RT_TIMER_THREAD_PRIO /* 定时器线程优先级。与FreeRTOS相反,该选项数值越小优先级越高 */
-
3RT_TIMER_THREAD_STACK_SIZE /* 定时器线程栈大小,单位为sizeof(rt_uint8_t) */
-
4RT_USING_MUTEX /* 使用FreeRTOS互斥量时必须开启*/
-
5RT_USING_SEMAPHORE /* 使用FreeRTOS信号量时必须开启*/
-
6RT_USING_HEAP /* 使用FreeRTOS动态内存分配时必须开启*/
-
7RT_TICK_PER_SECOND /* 相当于FreeRTOS configTICK_RATE_HZ */
-
8RT_THREAD_PRIORITY_MAX /* 相当于FreeRTOS configMAX_PRIORITIES */
-
9RT_NAME_MAX /* 相当于FreeRTOS configMAX_TASK_NAME_LEN */
在FreeRTOS/portable/rt-thread
提供了FreeRTOSConfig.h
模版。大部分内容不可以修改或依赖RT-Thread内核的配置,可以手动修改的内容如下:
-
1/* 可以选择不使用recursive mutex */
-
2#ifdef RT_USING_MUTEX
-
3 #define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 1
-
4 #define configUSE_MUTEXES 1
-
5#endif
-
6
-
7/* 可以选择不使用counting semaphore */
-
8#ifdef RT_USING_SEMAPHORE
-
9 #define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1
-
10#endif
-
11
-
12/* 若不使用heap_3,可以通过configTOTAL_HEAP_SIZE配置内存堆大小 */
-
13#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 1
-
14#ifdef RT_USING_HEAP
-
15 #define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1
-
16 #define configTOTAL_HEAP_SIZE 10240
-
17 #define configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP 0
-
18#endif
-
19
-
20#define configMINIMAL_STACK_SIZE 128
-
21
-
22/* 可以选择的函数和功能 */
-
23#define INCLUDE_vTaskPrioritySet 1
-
24#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet 1
-
25#define INCLUDE_vTaskDelete 1
-
26#define INCLUDE_vTaskSuspend 1
-
27#define INCLUDE_xTaskDelayUntil 1
-
28#define INCLUDE_vTaskDelay 1
-
29#define INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle 1
-
30#define INCLUDE_xTaskAbortDelay 1
-
31#define INCLUDE_xSemaphoreGetMutexHolder 1
-
32#define INCLUDE_xTaskGetHandle 1
-
33#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark 1
-
34#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark2 1
-
35#define INCLUDE_eTaskGetState 1
-
36#define INCLUDE_xTaskResumeFromISR 1
-
37#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState 1
-
38#define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle 1
-
39#define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG 1
-
40#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 1
-
41#define configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES 3
在test目录下提供了一些例程,可以将它们加入BSP目录下的applications文件夹中。使用SCons编译并烧录后,可以连接串口,输入相应的msh命令,观察例程的执行结果:
-
1msh />queue_dynamic
-
2Task 1 receive data 0 from queue
-
3Task 1 receive data 1 from queue
-
4Task 1 receive data 2 from queue
-
5Task 1 receive data 3 from queue
-
6Task 1 receive data 4 from queue
-
7Task 1 receive data 5 from queue
-
8Task 1 receive data 6 from queue
-
9Task 1 receive data 7 from queue
-
10Task 1 receive data 8 from queue
-
11Task 1 receive data 9 from queue
-
12Task 1 receive data 10 from queue
4 参考资料
RT-Thread文档
https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/README
FreeRTOS文档
https://www.freertos.org/a00106.html
Github地址
https://github.com/RT-Thread-packages/FreeRTOS-Wrapper
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