移植RT-Thread的原理与方法

描述

大家好我是惊觉。是的,失踪人口回来了。最近参加了rt-thread的国产MCU移植活动,移植rt-thread到华大的HC32L196。rtt论坛中已有许多介绍移植到各种平台的文章,详细讲述移植步骤,在rtt论坛搜索“国产MCU移植”即可阅读。本文不介绍具体移植步骤,而是如往常一样,分享移植的原理与方法。

移植原理

移植一款软件,无非是获取源码,修改其中与硬件相关的代码以适配目标硬件。移植rt-thread也是如此,首要任务是要明确要修改哪部分内容。带着这个问题,我们来分析rt-thread的源码结构。

rt-thread源码结构

rt-thread源码根目录结构如下:

目录说明

bsp板级支持包。存放各种硬件平台的驱动代码,初始化代码,工程文件。

components组件。如finsh控制台,抽象层驱动,文件系统,网络系统。

examples示例程序

include内核以及libc的头文件

libcpu与CPU架构相关的接口,为操作系统调度提供支持。

src内核代码,如线程、定时器、线程间通信(互斥锁,信号量)。

移植所涉及的目录有两个:bsp和libcpu,相应的移植分为BSP移植与CPU架构移植。其他的目录与具体的CPU无关,无须改动。

CPU架构移植

在嵌入式领域有多种不同 CPU 架构,例如 Cortex-M、ARM920T、MIPS32、RISC-V 等等。为了使 RT-Thread 能够在不同 CPU 架构的芯片上运行,RT-Thread 提供了一个 libcpu 抽象层来适配不同的 CPU 架构。向下提供了一套统一的 CPU 架构移植接口,这部分接口包含了全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍的配置和中断函数、Cache 等等内容。下表是 CPU 架构移植需要实现的接口和变量。

函数和变量描述

rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);关闭全局中断

void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);打开全局中断

rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry, void *parameter, rt_uint8_t *stack_addr, void *texit);线程栈的初始化,内核在线程创建和线程初始化里面会调用这个函数

void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 to);没有来源线程的上下文切换,在调度器启动第一个线程的时候调用,以及在 signal 里面会调用

void rt_hw_context_switch(rt_uint32 from, rt_uint32 to);从 from 线程切换到 to 线程,用于线程和线程之间的切换

void rt_hw_context_switch_interrupt(rt_uint32 from, rt_uint32 to);从 from 线程切换到 to 线程,用于中断里面进行切换的时候使用

rt_uint32_t rt_thread_switch_interrupt_flag;表示需要在中断里进行切换的标志

rt_uint32_t rt_interrupt_from_thread, rt_interrupt_to_thread;在线程进行上下文切换时候,用来保存 from 和 to 线程

是不是看起来挺复杂的,其实rtt已经支持了非常多的CPU架构。下图的libcpu目录中已支持多种CPU架构。让我们看看对arm系列的支持情况,从低端的cortex-m0到高端的cortex-m7,甚至还有cortex-a和cortex-r系列的。大家熟知的stm32f103为cortex-m3内核,stm32f407为cortex-m4内核。如果要移植到的目录芯片内核出现在此目录之中,那就无需关注libcpu,只要在配置文件中指定正确的内核即可。

我移植的HC32L196使用cortex-m0+内核,可使用cortex-m0的代码,因此无须进行CPU构架移植。芯片

bsp结构

由于不需要进行CPU架构移植,所以本次移植相对简单,唯一的工作就是在rt-thread的bsp目录中创建自己硬件的bsp。

rt-thread当前支持了100多个bsp,可能大家用的最多的是stm32。不过我并不建议大家在移植时参考stm32,因为它是最复杂的一个bsp。芯片早期rt-thread中关于stm32的bsp比较简单,各种型号如stm32f10x, stm32f40x都是独立的bsp。新手入门相对简单。不过弊病也很明显:随着支持的stm32系列的增加,bsp的子目录也就急剧增加,维护成本很高。芯片可能得益于stm32的HAL库,可以相对较低的投入将它们合为一个bsp。它们共用一份驱动代码,其在HAL_Drivers中。芯片可能以后国产MCU的bsp也会发展成这样,不过对于移植新手,最好是先易后难。我移植的HC32L196是华大单片机,以已经被rtt支持的hc32f4a0为模板进行移植。同时参考了swm320,以及stm32stm32l053-st-nucleo。

大多数bsp目录结构:

目录说明

applications用户代码。纯净的bsp中只需要一个main.c文件,里面定义main函数。

board板级驱动代码(最主要的是board.c),链接脚本(gcc, keil, iar)。

drivers设备驱动代码,比如gpio和uart驱动。

figures电路板照片。

Libraries芯片厂商驱动库。

.config, rtconfig.h, KconfigKconfig配置系统相关文件

rtconfig.py, SConscript, SConstructscons构建系统相关文件

template.uvprojx, template.uvoptxkeil模板工程

project.uvprojx, project.uvoptxkeil工程

template.eww, template.ewpiar模板工程

project.eww, project.ewpiar工程

可分为如下几类:

代码文件:applications, board, drivers, Libraries中的.h和.c

Kconfig配置系统相关文件

scons构建系统相关文件

工程模板

代码结构

先来看看我移植后的keil工程,其打开的几个目录就是涉及移植的代码目录。芯片applications目录最为简单。drivers目录是移植的重点,不过它不是移植的首要任务。下面几节介绍移植前最迫切需要搞清楚的内容。

Kconfig

rtt支持通过menuconfig命令来配置内核、组件及软件包。执行menuconfig命令时,其从Kconfig文件中解析菜单结构,由用户勾选、配置各个选项,最终将配置结果写入.config和rtconfig.h。芯片bsp中通常有两个Kconfig文件。一个位于根目录,另一个位于board。芯片根目录中的Kconfig仅仅是导入了别的目录的Kconfig,所有bsp的基本都一样,无须修改。

mainmenu “RT-Thread Project Configuration”

config BSP_DIR

string

option env=“BSP_ROOT”

default “。”

config RTT_DIR

string

option env=“RTT_ROOT”

default “。./。.”

config PKGS_DIR

string

option env=“PKGS_ROOT”

default “packages”

source “$RTT_DIR/Kconfig”

source “$PKGS_DIR/Kconfig”

source “board/Kconfig”

board/Kconfig

menu “Hardware Drivers Config”

config MCU_HC32L196

bool

select ARCH_ARM_CORTEX_M0

select RT_USING_COMPONENTS_INIT

select RT_USING_USER_MAIN

default y

menu “Onboard Peripheral Drivers”

endmenu

menu “On-chip Peripheral Drivers”

config BSP_USING_GPIO

bool “Enable GPIO”

select RT_USING_PIN

default y

menuconfig BSP_USING_UART

bool “Enable UART”

default y

select RT_USING_SERIAL

if BSP_USING_UART

config BSP_USING_UART0

bool “Enable UART0”

default y

config BSP_USING_UART1

bool “Enable UART1”

default n

endif

endmenu

menu “Board extended module Drivers”

endmenu

endmenu

其自动选择了几个必选的配置,比如RT_USING_USER_MAIN。另,定义了可配置的驱动选项,比如GPIO配置和串口配置。

上述文件对应的串口配置菜单如下:芯片rtt官方文档中有对Kconfig进行详细讲解:https://www.rt-thread.org/document/site/#/development-tools/kconfig/kconfig

scons和工程模板文件

rt-thread使用scons作为构建系统,其用于编译源码,生成固件。不过呢,大家用的最多的,可能是用它生成keil工程,就是在使用menuconfig配置内核、组件和驱动之后,使用如下命令生成keil工程:

scons --target=mdk5

其原理,以生成keil5工程为例,是scons根据rtconfig.h文件中的配置,在template.uvprojx上添加宏定义、头文件路径配置、文件链接,从而生成project.uvprojx。下图左侧为模板工程,右侧为生成的rtt工程。芯片再多说一句,rtt是如何能够读写keil工程文件呢?.uvprojx其实是xml文件,rtt通过模板工程创建新工程,就是在读写xml,有兴趣的话,可以阅读rt-thread源码根目录下的tools/keil.py。

rtconfig.h是在Kconfig系统中生成,只要修改好Kconfig相关文件后,无须操心rtconfig.h。要修改的是模板工程。不过也很简单,从其他bsp复制模板工程,修改设备类型,RAM和ROM配置就可以了。其他的配置,如下载接口等,可根据需要修改。芯片稍复杂些的任务是修改下面三种文件:

SConstruct

rtconfig.py

SConscript

这三个文件都是python脚本,只不过它们里面调用了许多scons系统提供的函数。所以,如果熟悉python的话,修改起来会很轻松。

SConstruct

SConstruct是scons的入口脚本,其通过rtconfig.py以导入各种编译配置,之后调用PrepareBuilding以获取编译对象(要编译哪些文件)。PrepareBuilding会调用各SConscript脚本以获取编译对象。这文件一般不用修改,除非参考的bsp有瑕疵。

rtconfig.py

rtconfig.py中定义了各种与编译相关的选项和参数。

头部定义CPU架构与型号,还记得文首提到的架构移植吗?对于rtt已支持的CPU架构,只需要在这里指明即可,scons系统会根据这里的配置选择相应的架构代码以进行编译链接。

ARCH=‘arm’

CPU=‘cortex-m0’

其他主要的是编译参数,比如armcc编译系列如下。

elif PLATFORM == ‘armcc’:

# toolchains

CC = ‘armcc’

CXX = ‘armcc’

AS = ‘armasm’

AR = ‘armar’

LINK = ‘armlink’

TARGET_EXT = ‘axf’

DEVICE = ‘ --cpu Cortex-M0 ’

CFLAGS = ‘-c ’ + DEVICE + ‘ --apcs=interwork --c99’

AFLAGS = DEVICE + ‘ --apcs=interwork ’

LFLAGS = DEVICE + ‘ --scatter “boardlinker_scriptslink.sct” --info sizes --info totals --info unused --info veneers --list rt-thread.map --strict’

CFLAGS += ‘ -I’ + EXEC_PATH + ‘/ARM/ARMCC/include’

LFLAGS += ‘ --libpath=’ + EXEC_PATH + ‘/ARM/ARMCC/lib’

CFLAGS += ‘ -D__MICROLIB ’

AFLAGS += ‘ --pd “__MICROLIB SETA 1” ’

LFLAGS += ‘ --library_type=microlib ’

EXEC_PATH += ‘/ARM/ARMCC/bin/’

if BUILD == ‘debug’:

CFLAGS += ‘ -g -O0’

AFLAGS += ‘ -g’

else:

CFLAGS += ‘ -O2’

CXXFLAGS = CFLAGS

POST_ACTION = ‘fromelf --bin $TARGET --output rtthread.bin

fromelf -z $TARGET’

这块与生成keil工程无关,而是在命令行下编译源码并生成固件。可能大家平时不会这么编译,都是用Keil。其实这种方法意义重大,其是持续集成的基础。

适配起来很也简单,直接把相同CPU的配置复制过来即可。我移植HC32L196,虽然主要参考HC32F4A0,然而HC32F4A0的构架是cortex-m4,显然不适合。所以在适配rtconfig.py时,我从stm32stm32l053-st-nucleo获取cortex-m0的配置。

SConscript

SConscript存在于各源码目录下,用于决定编译哪些文件。这些要编译的文件也会在创建keil工程中时被包含进去。芯片bsp根目录下的SConscript用于扫描出子目录中的SConscript并调用之,一般不用修改。

子目录下的SConscript大致分为两种:

将指定文件包含到编译目标之中,或者使用Glob(‘*.c’)包含所有的C文件。

根据rtconfig.h中的配置来包含被选中的文件。

application中的为第1种,drivers为第2种。修改时依葫芦画瓢即可。

更多细节,可参阅:https://www.rt-thread.org/document/site/#/development-tools/scons/scons

board

终于进入代码讲解环节。board目录中通常会有一个board.c。

void rt_hw_board_clock_init(void)

{

}

void SysTick_Configuration(void)

{

}

void SysTick_Handler(void)

{

/* enter interrupt */

rt_interrupt_enter();

rt_tick_increase();

/* leave interrupt */

rt_interrupt_leave();

}

void rt_hw_board_init()

{

/* Configure the System clock */

rt_hw_board_clock_init();

/* Configure the SysTick */

SysTick_Configuration();

#ifdef RT_USING_HEAP

rt_system_heap_init((void *)HEAP_BEGIN, (void *)HEAP_END);

#endif#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT

rt_components_board_init();

#endif#ifdef RT_USING_CONSOLE

rt_console_set_device(RT_CONSOLE_DEVICE_NAME);

#endif

}

其做了如下事情:

初始化时钟

配置SysTick定时器

初始化rtt堆内存模块

初始化板级驱动,如gpio和uart

设计控制台串口

所有bsp的board.c都差不多,上面代码中rt_hw_board_clock_init和SysTick_Configuration空着,这就是移植时需要修改的代码。其他部分,一般不用修改。

另,配置堆内存时用到的宏定义在board.h之中,需要根据硬件做修改。

#define SRAM_BASE 0x20000000#define SRAM_SIZE 0x8000#define SRAM_END (SRAM_BASE + SRAM_SIZE)

boardlinker_scripts目录中存放链接脚本,需要修改其中有关RAM和ROM的配置。

link.sct:keil链接脚本

link.lds:gcc链接脚本

没做iar支持,因为我不用iar,也没装iar:)

Libraries

Libraries存放芯片厂商提供的驱动代码。我移植的HC32L196基本结构如下:

HC32L196_StdPeriph_Driver:分inc和src,存放芯片驱动,如hc32l196_adc.h和hc32l196_adc.c。

CMSISInclude:存放CMSIS相关头文件,如core_cm0.h

CMSISDeviceHDSCHC32L196Include:杂类驱动头文件。

CMSISDeviceHDSCHC32L196Source:杂类驱动源文件,比如system_hc32l19x.c,其内包含汇编启动文件会调用的SystemInit函数。

CMSISDeviceHDSCHC32L196SourceARM:keil汇编启动文件startup_hc32l19x.s

CMSISDeviceHDSCHC32L196SourceGCC:gcc汇编启动文件startup_hc32l19x.s

CMSISDeviceHDSCHC32L196SourceIAR:iar汇编启动文件startup_hc32l19x.s

SConscript:包含本目录中的代码文件。在包含汇编启动文件时,根据rtconfig.CROSS_TOOL来包含相应编译平台的文件。

上述这些文件,除了SConscript,都来自芯片厂商的SDK,只不过其文件分布可能与上述不同。视具体情况做调整即可。

汇编启动文件

关于Libraries中的汇编启动文件,需要补充说明一点。对于keil版本,一般无须修改。对于gcc版本,需要把跳转main函数的语句修改为跳转entry函数。

stm32的启动文件,其调用的是main函数。芯片需要改为:

bl entry

之所以有如此差异,是因为armcc(keil编译器)与gcc的机制不同。

armcc

armcc的汇编启动文件相对简单,职责如下:

定义堆空间和栈空间,初始化栈指针

定义中断向量表

定义入口函数Reset_Handler,其先调用SystemInit,之后调用__main

初始化全局变量等工作放在了__main之中,__main完成初始化操作后会调用main函数。不过呢,armcc提供了一种函数补丁机制。如果定义了$Sub$$main函数的话,在main函数调用之前,会先调用$Sub$$main。rt-thread就是通过定义$Sub$$main函数,在其中进行操作系统的初始化,之后调用applications中的main函数以执行用户代码。芯片

gcc

gcc汇编启动文件职责如下:

定义中断向量表

定义入口函数Reset_Handler,其负责初始化全局变量(data和bss),调用SystemInit,调用main函数

由于gcc没有armcc那样的函数补丁机制,所以要运行rt-thread的话,需要将调用main函数改为调用rt-thread入口函数,即entry。

rt-thread根据编译平台定义了不同的入口函数,armcc对应$Sub$$main,gcc对应entry。

#ifdef __ARMCC_VERSIONextern int $Super$$main(void);

/* re-define main function */int $Sub$$main(void)

{

rtthread_startup();

return 0;

}

#elif defined(__ICCARM__)extern int main(void);

/* __low_level_init will auto called by IAR cstartup */extern void __iar_data_init3(void);

int __low_level_init(void)

{

// call IAR table copy function.

__iar_data_init3();

rtthread_startup();

return 0;

}

#elif defined(__GNUC__)/* Add -eentry to arm-none-eabi-gcc argument */int entry(void)

{

rtthread_startup();

return 0;

}

#endif

移植到HC32L196

如前所说,我不打算详细讲解每一步操作,仅提一些要点。

移植步骤

可分为两步:

创建可以运行的bsp,这是最关键的一步。

填充rtt设备驱动,如gpio和uart,这是相对费时的一步。

之所以分为两大步,是因为先完成关键的一步,运行成功,将给予移植者一个很大的激励,提高信心。如果第一步失败了,也好及时查找问题,而不是等经历了漫长的设备驱动移植后,在测试时发现rt-thread系统都还无法跑起来。

创建可以运行的bsp

所谓可以运行,是指可以让rt-thread操作系统在芯片上跑起来,并不需要跑finsh控制台,甚至不需要点亮LED灯,不需要任何外设驱动,能运行如下代码就行。

main.c

int main(void)

{

for (uint32_t i = 0; ; i++)

{

rt_thread_delay(RT_TICK_PER_SECOND);

};

}

当然啦,没有任何外设驱动的话,只能在调试模式下运行才能观察效果。只要rt_thread_delay的功能正常,就说明rt-thread调度系统正常工作了。

在了解了移植原理后,创建可以运行的bsp应该能较快完成,具体步骤如下:

复制一个bsp,将名称改为自己的平台。

使用芯片原厂提供的SDK替换Libraries目录中的内容。对其中的汇编启动文件和链接脚本要稍加关注,尤其是gcc汇编。

修改board目录源码,主要是board.c,完成初始化时钟和SysTick的工作。

删除drivers中的文件,或者保留几个驱动文件的框架,删除硬件相关代码。

修改模板工程。

修改Kconfig相关文件。

修改Scons相关文件。

使用menuconfig更新rtconfig.h文件。

使用scons生成rt-thread工程。10.编译烧录调度。

RT-Thread Studio

创建可以运行的bsp之后,之后就是开发驱动程序了。此时其实是可以使用RT-Thread Studio开发的,其有一个非常好用的功能:导入Keil或者IAR项目到工作空间中。芯片我在之后的驱动开发环节一直使用RT-Thread Studio编写代码。芯片

gpio映射表

struct rt_pin_ops

{

void (*pin_mode)(struct rt_device *device, rt_base_t pin, rt_base_t mode);

void (*pin_write)(struct rt_device *device, rt_base_t pin, rt_base_t value);

int (*pin_read)(struct rt_device *device, rt_base_t pin);

rt_err_t (*pin_attach_irq)(struct rt_device *device, rt_int32_t pin,

rt_uint32_t mode, void (*hdr)(void *args), void *args);

rt_err_t (*pin_detach_irq)(struct rt_device *device, rt_int32_t pin);

rt_err_t (*pin_irq_enable)(struct rt_device *device, rt_base_t pin, rt_uint32_t enabled);

rt_base_t (*pin_get)(const char *name);

};

rt-thread gpio设备驱动接口使用引脚号(pin)来操作指定的引脚。早期的bsp会定义一个大数组来存储引脚列表,下图是swm320定义的列表。芯片这种方式比较繁琐。通常芯片的GPIO口有一定的规律,比如PA0-PA15,PB0-PB15,PC0-PC15,等等。这些GPIO对应的寄存器的地址是连续的,可以通过一个公式将寄存器地址转换为引脚序号,反之亦然。

因此出现了使用GET_PIN宏来计算指定GPIO引脚序号的方法,比如GET_PIN(A, 5)会计算出PA5引脚的序号。可能stm32 bsp最先使用这种方法,大家移植的时候可以参考一下。

支持gcc

支持编译

HC32L196的原厂SDK中并不支持gcc。不过笔者是eclipse系列IDE的忠实用户,既然原厂不支持,那我就自己支持吧。

首先,要创建汇编启动文件:LibrariesCMSISDeviceHDSCHC32L196SourceGCCstartup_hc32l19x.s。

怎么创建呢,当然不需要从零开始啦。从其他cortex-m0的bsp中复制一个来修改。比如stm32的,

bspstm32librariesSTM32L0xx_HALCMSISDeviceSTSTM32L0xxSourceTemplatesgccstartup_stm32l053xx.s

修改中断向量表和中断函数即可。芯片

另外要关注下rtconfig.py和boardlinker_scriptslink.lds,同样可以参考cortex-m0的bsp。

支持烧录

添加了对gcc的支持后,使用RT-Thread Studio创建开发板支持包,就可以真正使用RT-Thread Studio来开发项目了。不过在这之前,需要先编译出固件并烧录验证。

使用scons命令编译。芯片编译后的固件位于bsp根目录:芯片

可使用J-Flash烧录:芯片成功运行:芯片大家在使用J-Flash创建工程时,可能发现找不到自己的硬件配置。如下图,HC32系列只有我移植的HC32L196,而没有HC32F4A0等,这是我自己添加进去的。怎么添加呢,可参考我之前的一篇文章:RT-Thread Studio烧写国产mcu(swm320)固件的方法。芯片

后记

本次移植过程相当漫长,不是因为移植任务本身艰难,而是我只能用碎片化的时间进行移植。有几天我九点半准备下班回家移植,老板觉得走的太早,硬是拖到十点,这些天就没有早于十一点到家的。大家说这样的老板是不是很可恶?表示赞同的,支持下笔者,点个再看呗:)。

责任编辑:haq

 

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分