FreeRTOS內核解析v0.1-LOVT

1、FreeRTOS內核解析FreeRTOS是一個小型的嵌入式實時系統(tǒng)內核，應用比較廣泛，而且開源，商業(yè)免費。在STM32F4系列上移植FreeRTOS Start System Peripheral Init OS Init TASK A OS Task Scheduler TASK B TASK C 圖1 OS操作流程在FreeRTOS內核中包含的文件： 1. croutine.c 協(xié)線程文件，和任務類似，在系統(tǒng)資源比較缺乏下使用。2. list.c 列表結構描述，在內核整體控制上都使用了列表格式數(shù)據(jù)處理。一切 的數(shù)據(jù)結構基礎。3. queue.c 隊列，任務和任務之間的通訊處理。 4. Ti

2、mers.c 軟定時，以任務形式存在。5. Port.c 硬件與系統(tǒng)內核交互部分。SVC、PENDSC、中斷等設置。匯編與C的結合6. Heap.c 堆棧內存空間。內存空間申請，釋放。在這里我們使用heap_4.c。7. tasks.c 所有任務相關函數(shù)。8. cmsisi_os.c 系統(tǒng)相關接口CMSISI_OS標準化，接口處理。 heap_4.c 實現(xiàn)原理：申請一塊靜態(tài)內存，按照堆的方式處理。包含內存申請，釋放，自動合并相連的空閑內存。 應用API函數(shù)： void *pvPortMalloc(size_t xWantedSize)； void vPortFree(void *pv)； si

3、ze_t xPortGetFreeHeapSize(void); 內部過程函數(shù)： static void prvHeapInit(void); static void prvInsertBlockIntoFreeList(xBlockLink *pxBlockToInsert) ; /申請內存空間塊描述 可以看做一個節(jié)點typedef struct A_BLOCK_LINK struct A_BLOCK_LINK *pxNextFreeBlock; /指向下一塊內存 size_t xBlockSize; /空閑塊大小xBlockLink;/指向開始和結尾 xStart是靜態(tài)內存 pxEnd 是

4、個指針 xBlockLink xStart, *pxEnd = NULL節(jié)點數(shù)據(jù)空間。節(jié)點數(shù)據(jù)空間。在系統(tǒng)蛇口中要考慮到字節(jié)對齊的問題。所以在申請一塊內存時，要先進行內存字節(jié)格式對齊。也就是說1-7個字節(jié)格式化后也為8個字節(jié)。#define portBYTE_ALIGNMENT 8 /8字節(jié)對齊#define portBYTE_ALIGNMENT_MASK ( 0x0007 ) /對齊掩碼static const unsigned short heapSTRUCT_SIZE = (sizeof(xBlockLink) + (portBYTE_ALIGNMENT - 1) & portB

5、YTE_ALIGNMENT_MASK);/靜態(tài)內存 作為整個內存空間 configTOTAL_HEAP_SIZE 宏定義設置 根據(jù)需求設置大小static unsigned char ucHeapconfigTOTAL_HEAP_SIZE; #define heapADJUSTED_HEAP_SIZE(configTOTAL_HEAP_SIZE - portBYTE_ALIGNMENT) /實際可用大小 在初始化prvHeapInit()函數(shù)中 假設configTOTAL_HEAP_SIZE為1024 (0x400)在實際使用空間中 起碼可以保持 1024 - 8個字節(jié)空間可用pucAlign

6、edHeap 指向了8字節(jié)對齊化了的地址xStart.pxNextFreeBlock = ( void * ) pucAlignedHeap;xStart.xBlockSize = (size_t)0;假設ucHeap是一個不對齊的地址 0x00427c58；那么8字節(jié)對齊后為0x00427c600x00427c58 0x00428058。 0x00427c60 pucAlignedHeap 指向該位置xStart可以看做獨立該空間的一個節(jié)點 大小為0 指向空間的開始地址xStart->pxNextFreeBlock 指向pucAlignedHeappucHeapEnd = pucAli

7、gnedHeap + xTotalHeapSize;pucHeapEnd -= heapSTRUCT_SIZE;pxEnd = (void *)pucHeapEnd; 更新pxEnd 指向pxEnd->xBlockSize = 0;pxEnd->pxNextFreeBlock = NULL;0x00428050(pxEnd)。 NULL(pxNextFreeBlock )pxFirstFreeBlock = (void *)pucAlignedHeap;pxFirstFreeBlock->xBlockSize = xTotalHeapSize - heapSTRUCT_SIZ

8、E;pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock = pxEnd;xFreeBytesRemaining -= heapSTRUCT_SIZE; /更新空閑大小使用標志 高位置1xBlockAllocatedBit = (size_t)1) << (sizeof(size_t) * heapBITS_PER_BYTE) - 1);pxFirstFreeBlock pxFirstFreeBlock->pxNextFreeBlock對齊損失節(jié)點數(shù)據(jù)空間pxEnd申請內存pvPortMalloc(size_t xWantedSize) xWantedSi

9、ze為要申請內存的大小，返回該內存的指針if(pxEnd = NULL)/未初始化 先進行初始化prvHeapInit();xWantedSize += heapSTRUCT_SIZE;/實際使用的空間為節(jié)點+內存xWantedSize設置的大小也要字節(jié)對齊化處理pxPreviousBlock = &xStart;pxBlock = xStart.pxNextFreeBlock;while(pxBlock->xBlockSize < xWantedSize) && (pxBlock->pxNextFreeBlock != NULL) /遍歷全局 查看足

10、夠大的空閑內存pxPreviousBlock = pxBlock;pxBlock = pxBlock->pxNextFreeBlock;pxPreviousBlock 指向 xStartpxBlock 注意：這里的B 數(shù)據(jù)都是空閑內存B空閑B空閑B空閑B。ENDpxPreviousBlock pxBlock B空閑B空閑B空閑B。END pxPreviousBlock pxBlock （該空間足夠大）B空閑B空閑B空閑B。END pvReturn pvReturn 返回空間地址pxPreviousBlock->pxNextFreeBlock = pxBlock->pxNext

11、FreeBlock; pxPreviousBlock pxBlock 這里pxBlock不為空 斷開空閑鏈表B空閑B空閑B數(shù)據(jù)B。END空間大 一分為二pxNewBlockLink = (void *)(unsigned char *)pxBlock) + xWantedSize);pxNewBlockLink->xBlockSize = pxBlock->xBlockSize - xWantedSize;pxBlock->xBlockSize = xWantedSize; 這里可以看出節(jié)點中的大小包含節(jié)點所占空間 pxBlock pxNewBlockLink B空閑B要用內

12、存空閑B。ENDprvInsertBlockIntoFreeList(pxNewBlockLink); 把新塊插入空閑列表xFreeBytesRemaining -= pxBlock->xBlockSize; 更新剩余空間pxBlock->xBlockSize |= xBlockAllocatedBit; 節(jié)點長度高位置1pxBlock->pxNextFreeBlock = NULL; 已使用從空閑鏈表中斷開把該塊插入空閑鏈表prvInsertBlockIntoFreeList(xBlockLink *pxBlockToInsert)for(pxIterator = &

13、;xStart; pxIterator->pxNextFreeBlock < pxBlockToInsert; pxIterator = pxIterator->pxNextFreeBlock ) 遍歷空閑列表定位pxIterator pxIterator 指向xStartxStart.pxNextFreeBlock 指向第一個空閑 pxBlockToInsertB空閑B要用內存B。ENDpuc = (unsigned char *)pxIterator; 為要插入塊的前一個空閑塊if(puc + pxIterator->xBlockSize) = ( unsigned

14、 char * )pxBlockToInsert)如果pxIterator這塊在插入塊pxBlockToInsert前方相鄰 那么進行合并pxIterator->xBlockSize += pxBlockToInsert->xBlockSize;pxBlockToInsert = pxIterator; 如果pxIterator 與 pxBlockToInsert相鄰 那么合并這2塊空閑 pxIterator pxBlockToInsertB空閑B空閑B。ENDpxIterator (pxBlockToInsert) 合并后 B空閑B。ENDpuc = (unsigned char

15、 *)pxBlockToInsert;if(puc+pxBlockToInsert->xBlockSize)=(unsignedchar*)pxIterator->pxNextFreeBlock)如果pxIterator這塊在插入塊pxBlockToInsert后方相鄰 那么進行合并pxBlockToInsert->xBlockSize+=pxIterator->pxNextFreeBlock->xBlockSize;pxBlockToInsert->pxNextFreeBlock=pxIterator->pxNextFreeBlock->pxN

16、extFreeBlock; pxIterator->pxNextFreeBlock 與 pxBlockToInsert相鄰 pxIterator pxBlockToInsertB空閑B數(shù)據(jù)B空閑B空閑ENDif(pxIterator != pxBlockToInsert) 連接2塊空閑列表pxIterator->pxNextFreeBlock = pxBlockToInsert;pxIterator pxBlockToInsertB空閑B數(shù)據(jù)B空閑B數(shù)據(jù)END釋放內存vPortFree(void *pv)if(pxLink->xBlockSize & xBlockAl

17、locatedBit)!= 0)已使用內存的 塊大小高位都置1判斷pxLink->xBlockSize &= xBlockAllocatedBit 高位清零xFreeBytesRemaining += pxLink->xBlockSize; 更新剩余大小prvInsertBlockIntoFreeList(xBlockLink *)pxLink); 把該塊插入空閑列表List.c 列表結構，含有插入、移除的功能。列表中的項目結構struct xLIST_ITEMconfigLIST_VOLATILE portTickType xItemValue; /項目值struct x

18、LIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext;/指向下一個ITEMstruct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;/指向前一個ITEMvoid * pvOwner;/可指向任務中TCBvoid * configLIST_VOLATILE pvContainer;/指向所屬列表;typedef struct xLIST_ITEM xListItem;簡化項目結構struct xMINI_LIST_ITEMconfigLIST_VOLATILE portTickType xItemValue;/項目值struct

19、 xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext; /指向下一個ITEMstruct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious; /指向上一個ITEM;typedef struct xMINI_LIST_ITEM xMiniListItem;列表結構typedef struct xLISTconfigLIST_VOLATILE unsigned portBASE_TYPE uxNumberOfItems; /項目個數(shù)xListItem * configLIST_VOLATILE pxIndex; /指向最后一個ITE

20、MxMiniListItem xListEnd; /申請一個內存表示列表尾 xList; pxIndex &xListEnd(靜態(tài)內存)ITEM1ITEM2ITEM3ITEM4ITEM5查看list.h中一些宏定義 方便使用，提高效率/設置ITEM的pvOwner #define listSET_LIST_ITEM_OWNER( pxListItem, pxOwner ) ( ( pxListItem )->pvOwner = ( void * ) ( pxOwner ) )/獲取ITEM的pvOwner#define listGET_LIST_ITEM_OWNER( pxLis

21、tItem ) ( pxListItem )->pvOwner/設置ITEM的VALUE值#define listSET_LIST_ITEM_VALUE( pxListItem, xValue ) ( ( pxListItem )->xItemValue = ( xValue ) )/獲取ITEM的VALUE值#define listGET_LIST_ITEM_VALUE( pxListItem ) ( ( pxListItem )->xItemValue )/獲取LIST中第一個ITEM的VALUE值#define listGET_ITEM_VALUE_OF_HEAD_EN

22、TRY( pxList ) ( (&( ( pxList )->xListEnd )->pxNext->xItemValue )/判斷LIST是否為空#define listLIST_IS_EMPTY( pxList ) ( ( portBASE_TYPE ) ( ( pxList )->uxNumberOfItems = ( unsigned portBASE_TYPE ) 0 ) )/獲取LIST中ITEM個數(shù)#define listCURRENT_LIST_LENGTH( pxList ) ( ( pxList )->uxNumberOfItems

23、)/獲取pxIndex指向的下一個pvOwner 并且更新了pxIndex#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList ) 。/獲取第一個ITEM的pvOwner #define listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxList ) ( (&( ( pxList )->xListEnd )->pxNext->pvOwner )/查看該ITEM的所屬LIST 是否與pxList一致#define listIS_CONTAINED_WITHIN( pxList, pxListItem ) ( (

24、 portBASE_TYPE ) ( ( pxListItem )->pvContainer = ( void * ) ( pxList ) ) )/獲取ITEM所屬LIST#define listLIST_ITEM_CONTAINER( pxListItem ) ( ( pxListItem )->pvContainer )列表初始化vListInitialise( xList * const pxList )pxList->pxIndex = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd );pxList->xListEnd.

25、xItemValue = portMAX_DELAY;pxList->xListEnd.pxNext = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd );pxList->xListEnd.pxPrevious = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd );pxList->uxNumberOfItems = ( unsigned portBASE_TYPE ) 0U;初始化了pxIndex 指向xListEnd xListEnd 的值為 portMAX_DELAY(0xffffffff)L

26、IST中包含個數(shù)為0 (pxNext ) pxList->pxIndex &( pxList->xListEnd )（靜態(tài)內存） (pxPrevious )ITEM個數(shù)為0插入到末尾vListInsertEnd( xList * const pxList, xListItem * const pxNewListItem )pxIndex = pxList->pxIndex;pxNewListItem->pxNext = pxIndex;pxNewListItem->pxPrevious = pxIndex->pxPrevious;pxIndex-&g

27、t;pxPrevious->pxNext = pxNewListItem;pxIndex->pxPrevious = pxNewListItem;pxNewListItem->pvContainer = ( void * ) pxList;( pxList->uxNumberOfItems )+;LIST的個數(shù)加1 該ITEM所屬pxList (pxNext ) pxList->pxIndex &( pxList->xListEnd )（靜態(tài)內存） (pxPrevious ) (pxPrevious) (pxNext )pxNewListItem（插

28、入的ITEM）如果再插入一次 (pxNext ) pxList->pxIndex &( pxList->xListEnd )（靜態(tài)內存） (pxPrevious ) (pxPrevious) (pxNext )ITEM1pxNewListItemVALUE值插入vListInsert( xList * const pxList, xListItem * const pxNewListItem )if( xValueOfInsertion = portMAX_DELAY ) 插入的值為最大值 與xListEnd一致 指向xListEnd前的一個ITEM pxIterator

29、= pxList->xListEnd.pxPrevious;elsefor( pxIterator = ( xListItem * ) &( pxList->xListEnd ); pxIterator->pxNext->xItemValue <= xValueOfInsertion; pxIterator = pxIterator->pxNext ) 遍歷比較VALUE值 獲取插入位置假設插入值為3 pxIteratorITEM1(1)ITEM2(2)ITEM3(4)ITEM4(5)pxNewListItem->pxNext = pxIter

30、ator->pxNext;pxNewListItem->pxNext->pxPrevious = pxNewListItem;pxNewListItem->pxPrevious = pxIterator;pxIterator->pxNext = pxNewListItem;pxNewListItem->pvContainer = ( void * ) pxList;( pxList->uxNumberOfItems )+; pxIterator pxNewListItemITEM1(1)ITEM2(2)ITEM3(4)ITEM4(5)移除一個ITEM

31、uxListRemove( xListItem * const pxItemToRemove )pxItemToRemove->pxNext->pxPrevious = pxItemToRemove->pxPrevious;pxItemToRemove->pxPrevious->pxNext = pxItemToRemove->pxNext;假設pxItemToRemove為ITEM2 pxIterator 一般情況下指向xListEnd 也有可能指向其中一個 pxItemToRemoveITEM1(1)ITEM2(2)ITEM3(4)ITEM4(5)pxL

32、ist = ( xList * ) pxItemToRemove->pvContainer;if( pxList->pxIndex = pxItemToRemove ) pxList->pxIndex = pxItemToRemove->pxPrevious; (pxIterator) pxItemToRemove 更新pxIterator指向ITEM1(1)ITEM2(2)ITEM3(4)ITEM4(5) Port.c 端口設置，涉及到內核系統(tǒng)。由匯編及C編寫。pxPortInitialiseStack( portSTACK_TYPE *pxTopOfStack, p

33、dTASK_CODE pxCode, void *pvParameters )堆棧初始化設置，在任務建立時執(zhí)行。每個任務都有一個對應的堆棧，用于任務切換后，寄存器狀態(tài)的保存。 pxTopOfStack 指向堆棧高地址 (ulong類型) 假設0x20000470XPSR(0x01000000)PC(pxCode)LRR12R3R2R1R0(param)RETURN(0xfffffffd)R11R10R9R8R7R6R5R4 返回更新的pxTopOfStack 0x2000042c進入時寄存器狀態(tài)函數(shù)退出后寄存器狀態(tài)堆棧中的數(shù)據(jù)開啟任務調度xPortStartScheduler( void )u

34、lOriginalPriority = *pcFirstUserPriorityRegister; /IP0 中斷0配置的優(yōu)先級*pcFirstUserPriorityRegister = portMAX_8_BIT_VALUE;ucMaxPriorityValue = *pcFirstUserPriorityRegister; /0xffucMaxSysCallPriority = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY & ucMaxPriorityValue; /0101 0000 大于這個中斷優(yōu)先級的中斷不能被響應 /ISR中可以安全調用系統(tǒng)A

35、PIulMaxPRIGROUPValue = portMAX_PRIGROUP_BITS; /7 組的最大值while( ( ucMaxPriorityValue & portTOP_BIT_OF_BYTE ) = portTOP_BIT_OF_BYTE ) /查看最高位ulMaxPRIGROUPValue-;ucMaxPriorityValue <<= ( unsigned char ) 0x01;優(yōu)先級組76543搶占位數(shù)01234xxxx 0000 使用高4位 廠商只用了4位 15個中斷優(yōu)先級計算出優(yōu)先級組的設定ulMaxPRIGROUPValue <<=

36、 portPRIGROUP_SHIFT; /AIRCR 10:8ulMaxPRIGROUPValue &= portPRIORITY_GROUP_MASK;*pcFirstUserPriorityRegister = ulOriginalPriority; /重設IP0當前優(yōu)先級portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI; /0x00F00000 SHP10 portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI; /0x0F000000 SHP11 設置了PENDSV STSTICK為最低優(yōu)先級 不影響其他

37、中斷vPortSetupTimerInterrupt(); /SYSTICK設置uxCriticalNesting = 0; /進入臨界區(qū)嵌套計數(shù)清0prvEnableVFP(); /使能FPU *( portFPCCR ) |= portASPEN_AND_LSPEN_BITS; /FPCCR使能自動保存和恢復prvStartFirstTask(); /開啟第一個任務初始化定時中斷vPortSetupTimerInterrupt( void ) portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG 重載計數(shù)設置 portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG 使能SYSTICK時鐘 使能S

38、YSTICK 使能SYSTICK中斷 使能VFP功能_asm void prvEnableVFP( void )PRESERVE8ldr.w r0, =0xE000ED88 /CPACR中設置ldr r1, r0 /CP11 CP10 23:22 21:20orr r1, r1, #( 0xf << 20 )str r1, r0bx r14nop開啟第一個任務_asm void prvStartFirstTask( void )PRESERVE8ldr r0, =0xE000ED08 /向量表偏移ldr r0, r0 ldr r0, r0 /第一個值為堆棧棧頂msr msp, r0

39、 /存入MSPcpsie i /開啟中斷svc 0 /產(chǎn)生SVC中斷nopSVC指令_asm void vPortSVCHandler( void ) 調用SVC來請求任務切換PRESERVE8 8字節(jié)對齊ldr r3, =pxCurrentTCB ldr r1, r3 獲取當前任務 地址0x20000480ldr r0, r1 獲取當前任務的棧頂?shù)刂?0x2000068Cldmia r0!, r4-r11, r14 POP R4-R11 R14 R0指向地址更新 R0RETURN(0xfffffffd)R11R10R9R8R7R6R5R4如果LR=0xFFFFFFFD明產(chǎn)生異常的時候使用的是

40、PSPmsr psp, r0 更新堆棧地址 R0從0x2000042C 變0x20000450mov r0, #0 清空r0msr basepri, r0 清除basepribx r14PENDSV _asm void xPortPendSVHandler(void)用于上下文切換extern uxCriticalNesting; /進入臨界區(qū)嵌套次數(shù)extern pxCurrentTCB;extern vTaskSwitchContext;PRESERVE8mrs r0, pspldr r3, =pxCurrentTCB /獲取當前TCBldr r2, r3tst r14, #0x10it

41、eqvstmdbeq r0!, s16-s31 /使用FPU PUSH高位VFPstmdb r0!, r4-r11, r14 /保存當前環(huán)境str r0, r2 /把新的堆棧存入pxTopOfStackstmdb sp!, r3mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITYmsr basepri, r0 /設置basepribl vTaskSwitchContext /設置上下文切換 的一些狀態(tài)參數(shù)mov r0, #0msr basepri, r0 /屏蔽baseprildmia sp!, r3 /恢復SP ldr r1, r3 /獲取棧頂ldr r

42、0, r1ldmia r0!, r4-r11, r14 /pop內核寄存器tst r14, #0x10it eqvldmiaeq r0!, s16-s31 /PUSH FPU 高位VFPmsr psp, r0bx r14Task.c 任務相關函數(shù)狀態(tài)及參數(shù)：typedef enum 任務的幾個狀態(tài)eRunning = 0, 運行eReady, 就緒eBlocked, 阻塞eSuspended, 掛起eDeleted 刪除 eTaskState;typedef struct xTASK_PARAMTERS 任務的參數(shù)pdTASK_CODE pvTaskCode; 任務函數(shù)const signed

43、 char * const pcName; 任務名unsigned short usStackDepth; 堆棧深度void *pvParameters; 參數(shù)unsigned portBASE_TYPE uxPriority; 優(yōu)先級portSTACK_TYPE *puxStackBuffer; 堆棧指針 xMemoryRegion xRegions portNUM_CONFIGURABLE_REGIONS ; MPU部分 xTaskParameters;typedef struct xMEMORY_REGION MPU內存管理void *pvBaseAddress; 分配的內存地址unsi

44、gned long ulLengthInBytes; 內存長度unsigned long ulParameters; 參數(shù) xMemoryRegion;typedef struct xTASK_STATUS 每個任務在系統(tǒng)中的參數(shù)xTaskHandle xHandle; 任務句柄const signed char *pcTaskName; 任務名unsigned portBASE_TYPE xTaskNumber; 任務號 唯一eTaskState eCurrentState; 任務當前狀態(tài) unsigned portBASE_TYPE uxCurrentPriority; 當前優(yōu)先級 unsigned portBASE_TYPE uxBasePriority; 任務優(yōu)先級 互斥信號量中使用 unsigned long ulRunTimeCounter; 運行TICK計數(shù)unsigned short usStackHighWaterMark; 堆棧當前使用深度 xTaskStatusType;typedef struct tskTask