飛凌嵌入式 基于i.MX9352開(kāi)發(fā)板M核的FreeRTOS設(shè)計(jì)例程

在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS） 的應(yīng)用正日益廣泛，采用RTOS能夠更合理、更高效地利用CPU資源，F(xiàn)reeRTOS作為一款輕量級(jí)且成熟的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其核心功能完備，包括任務(wù)管理、時(shí)間管理（如延時(shí)、定時(shí)器）、同步機(jī)制（信號(hào)量、互斥鎖）、進(jìn)程間通信（消息隊(duì)列）等等。這些特性使其能夠很好地滿(mǎn)足資源相對(duì)有限的中小型嵌入式系統(tǒng)的需求。

i.MX 9352作為NXP 推出的新一代輕量級(jí)邊緣AI處理器，集成2個(gè)Cortex-A55核和1個(gè)Cortex-M33實(shí)時(shí)核，其架構(gòu)設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)性與復(fù)雜任務(wù)處理能力的兼顧。為了幫助開(kāi)發(fā)者充分利用i.MX 9352 M33核的實(shí)時(shí)能力，其配套的M核SDK包提供的FreeRTOS例程分為兩類(lèi)，一類(lèi)介紹FreeRTOS系統(tǒng)組件特性，如信號(hào)量、互斥量、隊(duì)列等，另一類(lèi)是介紹外設(shè)接口如何在FreeRTOS使用，我們分別挑選這兩類(lèi)下的例程進(jìn)行演示。

1、FreeRTOS-generic

飛凌嵌入式OK-MX9352-C開(kāi)發(fā)板支持FreeRTOS功能特性示例代碼如下：

-freertos_event：任務(wù)事件演示例程

-freertos_queue：隊(duì)列消息實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的演示例程

-freertos_mutex：互斥鎖使用例程

-freertos_sem：信號(hào)量使用例程

-freertos_swtimer：軟件計(jì)數(shù)器及其回調(diào)的用法。

-freertos_tickless：使用 LPTMR 延時(shí)喚醒或者硬件中斷喚醒例程

-freertos_generic：task、queue、swtimer、tick hook 、semaphore 組合利用演示例程。

因FreeRTOS_generic例程使用的FreeRTOS特性較多，我們重點(diǎn)分析此例程。

（1）軟件實(shí)現(xiàn)

示例程序內(nèi)容包括：任務(wù)創(chuàng)建、隊(duì)列、軟定時(shí)器、系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘、信號(hào)量、異常處理。具體如下：

任務(wù)創(chuàng)建：

主函數(shù)創(chuàng)建了隊(duì)列發(fā)送、接收，信號(hào)量三個(gè)任務(wù)。

//  創(chuàng)建隊(duì)列接收任務(wù)
if(xTaskCreate(prvQueueReceiveTask,"Rx",configMINIMAL_STACK_SIZE+166,NULL,mainQUEUE_RECEIVE_TASK_PRIORITY,NULL)!=pdPASS)
// 創(chuàng)建隊(duì)列發(fā)送任務(wù)
if(xTaskCreate(prvQueueSendTask,"TX",configMINIMAL_STACK_SIZE+166, NULL, mainQUEUE_SEND_TASK_PRIORITY, NULL) !=pdPASS)
// 創(chuàng)建信號(hào)量任務(wù)
if(xTaskCreate(prvEventSemaphoreTask,"Sem",configMINIMAL_STACK_SIZE+166,NULL,mainEVENT_SEMAPHORE_TASK_PRIORITY, NULL) != pdPASS)

隊(duì)列：

隊(duì)列發(fā)送任務(wù)，阻塞200ms后向隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)；隊(duì)列接收任務(wù)，任務(wù)阻塞讀取隊(duì)列，數(shù)據(jù)讀取正確，則打印此時(shí)的隊(duì)列接收數(shù)量。

// 隊(duì)列發(fā)送任務(wù)，阻塞200ms后 向隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù) 
static void prvQueueSendTask(void *pvParameters)  
{  
    TickType_t xNextWakeTime;  
    const uint32_t ulValueToSend = 100UL;  
    xNextWakeTime = xTaskGetTickCount();  
    for (;;)  
    {  
        // 任務(wù)阻塞，直至200ms延時(shí)結(jié)束  
        vTaskDelayUntil(&xNextWakeTime, mainQUEUE_SEND_PERIOD_MS);  
        // 向隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)，阻塞時(shí)間為0表示當(dāng)隊(duì)列滿(mǎn)的時(shí)候就立即返回  
        xQueueSend(xQueue, &ulValueToSend, 0);  
    }  
} 
// 隊(duì)列接收任務(wù)，任務(wù)阻塞讀取隊(duì)列，數(shù)據(jù)讀取正確，則打印此時(shí)的隊(duì)列接收數(shù)量。
static void prvQueueReceiveTask(void *pvParameters)  
{  
    uint32_t ulReceivedValue;  
    for (;;)  
    {  
        // 任務(wù)一直阻塞，知道隊(duì)列內(nèi)讀取到數(shù)據(jù)  
        xQueueReceive(xQueue, &ulReceivedValue, portMAX_DELAY);  
        //  隊(duì)列數(shù)據(jù)和發(fā)送一致，隊(duì)列接收數(shù)量+1 輸出此時(shí)的隊(duì)列接收數(shù)量  
        if (ulReceivedValue == 100UL)  
        {  
            ulCountOfItemsReceivedOnQueue++;  
            PRINTF("Receive message counter: %d.rn", ulCountOfItemsReceivedOnQueue);  
        }  
    }  
}  

軟定時(shí)器：

設(shè)置軟定時(shí)器周期1s，時(shí)間到后，調(diào)用回調(diào)函數(shù)，記錄次數(shù)并串口打印。

// 創(chuàng)建軟件定時(shí)器任務(wù) 時(shí)間為1s,周期循環(huán)  
xExampleSoftwareTimer = xTimerCreate(  
                                     "LEDTimer",  
                                     mainSOFTWARE_TIMER_PERIOD_MS,  
                                     pdTRUE,  
                                     (void *)0,  
                                     vExampleTimerCallback);  
// 啟動(dòng)軟件定時(shí)器  
xTimerStart(xExampleSoftwareTimer, 0); 
   // 回調(diào)函數(shù)
static void vExampleTimerCallback(TimerHandle_t xTimer)  
{  
    // 每1s進(jìn)入一次回調(diào)函數(shù)，計(jì)數(shù)增加  
    ulCountOfTimerCallbackExecutions++;  
    PRINTF("Soft timer: %d s.rn", ulCountOfTimerCallbackExecutions);  
}

系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘：

通過(guò)設(shè)置文件 FreeRTOSConfig.h 中 configTICK_RATE_HZ 設(shè)置任務(wù)節(jié)拍中斷頻率， 在啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)另一個(gè)變量CPU的頻率configCPU_CLOCK_HZ計(jì)算對(duì)應(yīng)寫(xiě)入節(jié)拍計(jì)數(shù)器的值，啟動(dòng)定時(shí)器中斷。

// 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍為 1000/200=5ms  
#define configTICK_RATE_HZ                      ((TickType_t)200)

信號(hào)量：

每個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘中斷中，調(diào)用函數(shù)vApplicationTickHook，累積500次即500*5ms=2.5s后，發(fā)送信號(hào)量。信號(hào)量任務(wù)獲取信號(hào)后，計(jì)數(shù)并打印累積次數(shù)。

// 系統(tǒng)節(jié)拍為5ms，每個(gè)500*5ms=2.5s 釋放事件信號(hào)量  
void vApplicationTickHook(void)  
{  
    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;  
    static uint32_t ulCount             = 0;  
    ulCount++;  
    if (ulCount >= 500UL)  
    {  
        // 在中斷中釋放事件信號(hào)量  
        xSemaphoreGiveFromISR(xEventSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);  
        ulCount = 0UL;  
    }  
} 
// 任務(wù)阻塞等待信號(hào)量，收到后，接收次數(shù)增加，并通過(guò)串口打印  
static void prvEventSemaphoreTask(void *pvParameters)  
{  
    for (;;)  
    {  
        // 任務(wù)阻塞，直到能獲取信號(hào)量  
        if (xSemaphoreTake(xEventSemaphore, portMAX_DELAY) != pdTRUE)  
        {  
            PRINTF("Failed to take semaphore.rn");  
        }  
        // 接收到信號(hào)量的次數(shù)累加  
        ulCountOfReceivedSemaphores++;  
        PRINTF("Event task is running. Get semaphore :%d rn",ulCountOfReceivedSemaphores);  
    }  
}  

異常處理：

當(dāng)內(nèi)存分配失敗、堆棧發(fā)生錯(cuò)誤或任務(wù)空閑時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的函數(shù)，用戶(hù)可添加相應(yīng)的處理函數(shù)。

// 內(nèi)存分配失敗函數(shù)，當(dāng)內(nèi)存分配失敗時(shí)，進(jìn)入此函數(shù)  
void vApplicationMallocFailedHook(void)  
{  
    for (;;)  
        ;  
}
// 堆棧錯(cuò)誤檢查函數(shù)，當(dāng)堆棧發(fā)生溢出時(shí)，進(jìn)入此函數(shù)  
void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName)  
{  
    (void)pcTaskName;  
    (void)xTask;  
    for (;;)  
        ;  
}  
// 空閑任務(wù)，優(yōu)先級(jí)最低，沒(méi)有實(shí)際意義，只是讓CPU有事情做，用戶(hù)可以自己添加自己的函數(shù)  
void vApplicationIdleHook(void)  
{  
    volatile size_t xFreeStackSpace;  
    xFreeStackSpace = xPortGetFreeHeapSize();  
    if (xFreeStackSpace > 100)  
    {  
    }  
}  

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

① 編譯程序：在uboot手動(dòng)加載M核程序。

② 隊(duì)列：每隔200ms，隊(duì)列發(fā)送任務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)，隊(duì)列接收任務(wù)獲取數(shù)據(jù)，從阻塞態(tài)到運(yùn)行態(tài)，打印計(jì)數(shù)。

③ 軟定時(shí)器：每隔1s，時(shí)間到達(dá)，調(diào)用回調(diào)函數(shù)，打印計(jì)數(shù)。

④ 信號(hào)量：每隔5ms，系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷調(diào)用函數(shù)，超過(guò)500次后，釋放信號(hào)量。信號(hào)量任務(wù)獲的信號(hào)量，從阻塞態(tài)到運(yùn)行態(tài)，打印計(jì)數(shù)。

2、FreeRTOS-外設(shè)

飛凌嵌入式OK-MX9352-C開(kāi)發(fā)板支持外設(shè)使用FreeRTOS完成相應(yīng)功能，示例代碼如下：

-freertos_uart：freertos串口演示例程

-freertos_lpi2c_b2b：freertos I2C演示例程

-freertos_lpspi_b2b：freertos SPI演示例程

因freertos_uart例程使用的FreeRTOS特性比較典型，我們重點(diǎn)分析此例程。

（1）軟件實(shí)現(xiàn)

示例程序內(nèi)容包括：串口初始化任務(wù)、串口發(fā)送任務(wù)、串口接收任務(wù)。具體如下：

串口初始化任務(wù)：

主要包含串口外設(shè)初始化，發(fā)送、接收互斥量，發(fā)送和接收事件組。串口外設(shè)初始化在裸跑串口例程中已展現(xiàn)，此處不再詳述。

//  創(chuàng)建串口發(fā)送互斥量
handle->txSemaphore = xSemaphoreCreateMutex();
//  創(chuàng)建串口接收互斥量
handle->rxSemaphore = xSemaphoreCreateMutex(); 
// 創(chuàng)建發(fā)送事件標(biāo)志組
handle->txEvent     = xEventGroupCreate();
// 創(chuàng)建接收事件標(biāo)志組
handle->rxEvent     = xEventGroupCreate();

串口發(fā)送：

發(fā)送前獲取信號(hào)量，啟動(dòng)發(fā)送流程，在中斷中置位發(fā)送完成事件標(biāo)志。發(fā)送任務(wù)獲取到事件后，釋放發(fā)送信號(hào)量。

// 1 獲取發(fā)送信號(hào)量  
if (pdFALSE == xSemaphoreTake(handle->txSemaphore, 0))   
{  
    return kStatus_Fail;  
}  
handle->txTransfer.data     = (uint8_t *)buffer;  
handle->txTransfer.dataSize = (uint32_t)length;  
// 2 阻塞式發(fā)送  
status = UART_TransferSendNonBlocking(handle->base, handle->t_state, &handle->txTransfer);  
if (status != kStatus_Success)  
{  
    (void)xSemaphoreGive(handle->txSemaphore);   
    return kStatus_Fail;  
}  
// 3 等待發(fā)送完成的事件  
ev = xEventGroupWaitBits(handle->txEvent, RTOS_UART_COMPLETE, pdTRUE, pdFALSE, portMAX_DELAY);// 等待并判斷多個(gè)事件位  
if ((ev & RTOS_UART_COMPLETE) == 0U)  
{  
    retval = kStatus_Fail;  
}  
// 4 發(fā)送完成，釋放發(fā)送信號(hào)量  
if (pdFALSE == xSemaphoreGive(handle->txSemaphore)) // 釋放信號(hào)量  
{  
    retval = kStatus_Fail;  
}

串口接收：

接收前獲取信號(hào)量，調(diào)用串口接收函數(shù)，在中斷中置位獲取事件標(biāo)志。接收任務(wù)獲取到事件后，釋放接收信號(hào)量。

// 1獲取接收信號(hào)量  
if (pdFALSE == xSemaphoreTake(handle->rxSemaphore, portMAX_DELAY))    
{  
    return kStatus_Fail;  
}  
handle->rxTransfer.data     = buffer;  
handle->rxTransfer.dataSize = (uint32_t)length;  
// 2 串口接收函數(shù)  
status = UART_TransferReceiveNonBlocking(handle->base, handle->t_state, &handle->rxTransfer, &n);  
if (status != kStatus_Success)  
{  
    (void)xSemaphoreGive(handle->rxSemaphore);   
    return kStatus_Fail;  
}  
// 3 獲取接收事件  
ev = xEventGroupWaitBits(handle->rxEvent,RTOS_UART_COMPLETE | RTOS_UART_RING_BUFFER_OVERRUN | RTOS_UART_HARDWARE_BUFFER_OVERRUN, pdTRUE, pdFALSE, portMAX_DELAY);   // 等待并判斷接收完成事件位  
// 3.1 硬件接收錯(cuò)誤  
if ((ev & RTOS_UART_HARDWARE_BUFFER_OVERRUN) != 0U)   
{  
    UART_TransferAbortReceive(handle->base, handle->t_state);  
    (void)xEventGroupClearBits(handle->rxEvent, RTOS_UART_COMPLETE);    // 將接收完成的事件位清零，  
    retval         = kStatus_UART_RxHardwareOverrun;  
    local_received = 0;  
}  
// 3.2 接收緩沖區(qū)過(guò)載錯(cuò)誤  
else if ((ev & RTOS_UART_RING_BUFFER_OVERRUN) != 0U)   
{  
    UART_TransferAbortReceive(handle->base, handle->t_state);  
    (void)xEventGroupClearBits(handle->rxEvent, RTOS_UART_COMPLETE);    // 將接收完成的事件位清零，  
    retval         = kStatus_UART_RxRingBufferOverrun;  
    local_received = 0;  
}  
// 3.3 接收完成  
else if ((ev & RTOS_UART_COMPLETE) != 0U)     
{  
    retval         = kStatus_Success;  
    local_received = length;  
}  
else  
{  
    retval         = kStatus_UART_Error;  
    local_received = 0;  
}  
// 4 釋放接收信號(hào)量  
if (pdFALSE == xSemaphoreGive(handle->rxSemaphore))   
{  
    retval = kStatus_Fail;  
} 

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

① 編譯程序，在uboot手動(dòng)加載M核程序。

② 裝置上電后，串口打印程序信息，此時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)輸入4個(gè)字符，M核調(diào)試串口將回顯，重復(fù)輸入和回顯字符，證明程序運(yùn)行成功。