移植 RT-Thread Nano 到 RISC-V

本文介绍了如何移植 RT-Thread Nano 到 RISC-V 架构,以 Eclipse GCC 环境为例,基于一个 GD32V103 MCU 的基础工程作为示例进行讲解。

移植 Nano 的主要步骤:

  1. 准备一个基础的 Eclipse 工程,并获取 RT-Thread Nano 源码压缩包。
  2. 在基础工程中添加 RT-Thread Nano 源码,添加相应头文件路径。
  3. 适配 Nano,主要从 中断、时钟、内存、应用 这几个方面进行适配,实现移植。
  4. 最后可对 Nano 进行配置:Nano 是可裁剪的,通过配置文件 rtconfig.h 实现对系统的裁剪。

准备工作

  • 下载 RT-Thread Nano 发布版本代码。
  • 准备一份基础的裸机源码工程,如 LED 指示灯闪烁示例代码。

下载 Nano 源码

点击此处 下载 RT-Thread Nano 源码。

基础工程准备

在移植 RT-Thread Nano 之前,我们需要准备一个能正常运行的裸机工程。作为示例,本文使用的是基于 GD32V103 的一个 LED 闪烁程序。程序的主要截图如下:

裸机示例代码

在我们的例程中主要做了系统初始化与 LED 闪烁功能,编译下载程序后,就可以看到开发板上的 LED 在闪烁了。读者可以根据自己的需要使用的芯片,完成一个类似的裸机工程。

添加 RT-Thread Nano 到工程

添加 Nano 源文件

在准备好的 Eclipse 工程下面新建 rtthread 文件夹,并在该文件中添加以下文件:

  • Nano 源码中的 include、libcpu、src 文件夹。注意 libcpu 仅保留与该芯片架构相关的文件,如示例中使用的是 bunblebeecommon
  • 配置文件:示例代码 rtthread-nano/bsp 中的两个文件:board.crtconfig.h

给裸机工程添加 Nano 源码以及必要的配置文件

重新打开 eclipse 工作空间,导入工程,rtthread 已经加载到工程中:

eclipse 工程

Cortex-M 芯片内核移植代码:

context_gcc.s
cpuport.c

Kernel 文件包括:

clock.c
components.c
device.c
idle.c
ipc.c
irq.c
kservice.c
mem.c
object.c
scheduler.c
thread.c
timer.c

板级配置代码及配置文件:

board.c
rtconfig.h

添加头文件路径

右击工程,点击 properties 进入下图所示界面,点击 C/C++ Build -> settings ,分别添加汇编与 C 的头文件路径:添加 rtconfig.h 头文件所在位置的路径,添加 include 文件夹下的头文件路径。然后点击 C/C++ General -> Path and Symbols ,添加相应的头文件,最后点击应用即可。

添加头文件路径

适配 RT-Thread Nano

修改 start.S

修改启动文件,实现 RT-Thread 的启动:由于 RT-Thread Nano 在 GCC 环境下的启动是由 entrry() 函数调用了启动函数 rt_thread_startup(),所以需要修改启动文件 start.S,使其在启动时先跳转至 entry() 函数执行,而不是跳转至 main(),这样就实现了 RT-Thread 的启动。

/* RT-Thread 在 GCC 下的启动方式 */
int entry(void)
{
    rtthread_startup();
    return 0;
}

修改 start.S

中断与异常处理

RT-Thread 提供中断管理方法,当系统没有实现类似中断向量表的功能,物理中断要和用户的中断服务例程相关联,就需要使用中断管理接口对中断进行管理,这样当发生中断时就可以触发相应的中断,执行中断服务例程。

本例程中的 gd32f103 芯片在启动文件中提供了中断向量表,用户可直接使用中断向量提供的函数实现对应 IRQ。当一个中断触发时,处理器将直接判定是哪个中断源,然后直接跳转到相应的固定位置进行处理,不需要再自行实现中断管理。

系统时钟配置

需要在 board.c 中实现 系统时钟配置(为 MCU、外设提供工作时钟)与 OS Tick 的配置(为操作系统提供心跳 / 节拍)。

配置示例如下图所示,riscv_clock_init() 配置了系统时钟,ostick_config() 配置了 OS Tick。

系统时钟与 OS Tick 配置

riscv_clock_init() 配置了系统时钟,示例如下:

OS Tick 初始化配置

ostick_config() 配置了 OS Tick,示例如下,此处 OS Tick 使用硬件定时器实现,需要用户在 board.c 中实现该硬件定时器的中断服务例程 eclic_mtip_handler() ,调用 RT-Thread 提供的 rt_tick_increase()

OS Tick 的实现:硬件定时器 ISR 实现

由于 eclic_mtip_handler() 中断服务例程由用户在 board.c 中重新实现,做了系统 OS Tick,所以需要将自定义的 eclic_mtip_handler 删除,避免在编译时产生重复定义。如果此时对工程进行编译,没有出现函数重复定义的错误,则不用做修改。

内存堆初始化

系统内存堆的初始化在 board.c 中的 rt_hw_board_init() 函数中完成,内存堆功能是否使用取决于宏 RT_USING_HEAP 是否开启,RT-Thread Nano 默认不开启内存堆功能,这样可以保持一个较小的体积,不用为内存堆开辟空间。

开启系统 heap 将可以使用动态内存功能,如使用 rt_malloc、rt_free 以及各种系统动态创建对象的 API。若需要使用系统内存堆功能,则打开 RT_USING_HEAP 宏定义即可,此时内存堆初始化函数 rt_system_heap_init() 将被调用,如下所示:

系统 heap 初始化

初始化内存堆需要堆的起始地址与结束地址这两个参数,系统中默认使用数组作为 heap,并获取了 heap 的起始地址与结束地址,该数组大小可手动更改,如下所示:

默认 heap 的实现

注意:开启 heap 动态内存功能后,heap 默认值较小,在使用的时候需要改大,否则可能会有申请内存失败或者创建线程失败的情况,修改方法有以下两种:

  • 可以直接修改数组中定义的 RT_HEAP_SIZE 的大小,至少大于各个动态申请内存大小之和,但要小于芯片 RAM 总大小。
  • 也可以参考《RT-Thread Nano 移植原理》——实现动态内存堆 章节进行修改,使用 RAM ZI 段结尾处作为 HEAP 的起始地址,使用 RAM 的结尾地址作为 HEAP 的结尾地址,这是 heap 能设置的最大值的方法。

编写第一个应用

移植好 RT-Thread Nano 之后,则可以开始编写第一个应用代码。此时 main() 函数就转变成 RT-Thread 操作系统的一个线程,现在可以在 main() 函数中实现第一个应用:板载 LED 指示灯闪烁,这里直接基于裸机 LED 指示灯进行修改。

  1. 首先在文件首部增加 RT-Thread 的相关头文件 <rtthread.h>
  2. 在 main() 函数中(也就是在 main 线程中)实现 LED 闪烁代码:初始化 LED 引脚、在循环中点亮 / 熄灭 LED。
  3. 将延时函数替换为 RT-Thread 提供的延时函数 rt_thread_mdelay()。该函数会引起系统调度,切换到其他线程运行,体现了线程实时性的特点。

RT-Thread 第一个应用

编译程序之后下载到芯片就可以看到基于 RT-Thread 的程序运行起来了,LED 正常闪烁。

注意事项:当添加 RT-Thread 之后,裸机中的 main() 函数会自动变成 RT-Thread 系统中 main 线程 的入口函数。由于线程不能一直独占 CPU,所以此时在 main() 中使用 while(1) 时,需要有让出 CPU 的动作,比如使用 rt_thread_mdelay() 系列的函数让出 CPU。

与裸机 LED 闪烁应用代码的不同

1). 延时函数不同: RT-Thread 提供的 rt_thread_mdelay() 函数可以引起操作系统进行调度,当调用该函数进行延时时,本线程将不占用 CPU,调度器切换到系统的其他线程开始运行。而裸机的 delay 函数是一直占用 CPU 运行的。

2). 初始化系统时钟的位置不同:移植好 RT-Thread Nano 之后,不需要再在 main() 中做相应的系统配置(如 hal 初始化、时钟初始化等),这是因为 RT-Thread 在系统启动时,已经做好了系统时钟初始化等的配置,这在上一小节 “系统时钟配置” 中有讲解。

配置 RT-Thread Nano

用户可以根据自己的需要通过打开或关闭 rtconfig.h 文件里面的宏定义,配置相应功能,如下是 rtconfig.h 的代码片段:

...

// <h>IPC(Inter-process communication) Configuration
// <c1>Using Semaphore
//  <i>Using Semaphore
#define RT_USING_SEMAPHORE
// </c>
// <c1>Using Mutex
//  <i>Using Mutex
//#define RT_USING_MUTEX                 // 打开此宏则使能互斥量的使用
// </c>
// <c1>Using Event
//  <i>Using Event
//#define RT_USING_EVENT                 // 打开此宏则使能事件集的使用
// </c>
// <c1>Using MailBox
//  <i>Using MailBox
//#define RT_USING_MAILBOX              // 打开此宏则使能邮箱的使用
// </c>
// <c1>Using Message Queue
//  <i>Using Message Queue
//#define RT_USING_MESSAGEQUEUE          // 打开此宏则使能消息队列的使用
// </c>
// </h>

// <h>Memory Management Configuration
// <c1>Using Memory Pool Management
//  <i>Using Memory Pool Management
//#define RT_USING_MEMPOOL              // 打开此宏则使能内存池的使用

...

RT-Thread Nano 默认未开启宏 RT_USING_HEAP,故只支持静态方式创建任务及信号量。若要通过动态方式创建对象则需要在 rtconfig.h 文件里开启 RT_USING_HEAP 宏定义。完整配置详见 《 RT-Thread Nano 配置》

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