图3-15 PCB BOTTOM层电路图

3.6实物图

根据电气原理图购买相应元器件，最终制作出如图3-16所示电路板。

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第4章 软件设计

4.1 FreeRTOS 操作系统简介

最早的控制程序设计中，只有应用层和底层驱动。所以设计人员需要编写整个造作程序，过程十分繁琐。Freertos具有公开的源代码，在设计程序的过程中，对该操作系统进行一些改动就可以添加功能，可以有效的减少设计人员的工作量，加快开发速度。Freertos不局限于本设计使用的STM32硬件平台，它与很多硬件平台都可以兼容。该实时操作系统公开、免费，并且不需要设计人员公布自己的源代码，保护开发权。此外，FreeRTOS具有可裁减、可移植的内核，多任任务调度策略，同时支持可以剥夺型任务切换和不可剥夺型任务切换。与UCOS相比，该系统占用的内存和空间都是非常小的，运行效率很高，满足改设计需求

[9]

。

4.2 操作系统的移植过程

4.2.1 FreeRTOS 源代码结构

在进行FreeRTOS时，需要对FreeRTOS的文件结构进行了解，这样方便更好的了解该系统的移植方法。FreeRTOS 的源代码主要由两部分组成，一部分与内核无关的源文件，如FreeRTOS操作系统说明书和工具等等；另一部与内核相关的文件，如各种.C和.H文件。而主要关心的就是与内核相关的文件。按照内核不同的功能组件，FreeRTOS划分了几个目录，方便用户更好的了解。Inlcude目录公用的头文件，port与底层硬件平台相关的文件。各部分具体包含的代码如图4-1所示。

图4.1 FreeRTOS 源代码结构图

其中，FreeRTOS和系统相关的四个核心函数为tasks.c ，list.c，queue.c，

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croutine.c。tasks.c主要实现任务调度功能，它通过状态切换，实现不同的任务调度，它可以把任务进行延时，休眠，唤醒及就绪等状态之间进行切换。它这些切换的实现主要通过TCB任务控制链表来实现的，这个链表的每一个节点都包含一个任务的所以信息，如任务状态，任务堆栈及任务当前环境；list.c实现一个数据结构功能，该实现的功能为双链表功能，它定义该链表的删除，插入及创建等功能，提供给内核进行调度算法；queue.c实现系统消息链表队列，它可以进行入队，插入，删除及创建队列等操作，支持信号量的控制；croutine.c这个实现联合程序，主要是为了减少RAM的开销，是一种堆栈的组织形式，该程序是一种任务共享堆栈形式。

为了完成FreeRTOS的移植，需要了解移植的内容，这里主要内容有以下几个：

1、完成普通任务切换的底层实现； 2、完成中断任务切换的汇编程序； 3实现中断处理和时钟节拍；

4调节CPU的寄存器参数和堆栈大小； 5编写入出临界区代码。

系统在移植的过程中，由于FreeRTOS官方提供了这方面的移植例子，所以我们只需要按照修改的例子进行相关代码的修改即可。一般修改的文件是portmacro.h，port.c，portasm.s这三个文件[10]。其中portmacro.h主要定义了一些数据类型，包括函数宏开关，堆栈地址类型，编译器选项等等。port.c文件实现需要花费大量的时间，该部分主要由C语言进行编写，通过修改该文件的堆栈初始化，任务调度及时钟节拍中断服务程序等等。portasm.s该程序有汇编编写，完成最底层的相关驱动函数，该函数一般最先执行，包括开关总中断和临界代码保护等等。

4.2.2 相关代码移植

熟悉相关的移植要求后，就需要对这些文件和本设计的CPU进行移植。 （1）portmacro.h文件

首先移植portmacro.h文件，该文件主要进行了三个方面的移植，分别是数据类型移植、堆栈地址及临界保护。首先数据类型进行了相关的定义。由于编译器不同，一些关键的数据类型都需要重新定义，这样提高程序的可移植性能，如

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在FreeRTOS定义int、char类型，都是在该关键字上加上port类型，采用宏定义进行定义，其定义格式为

#define 数据类型名 数据类型。

进行了数据类型定义后，接下来修改堆栈的数据类型，由于不同的处理器，它内部的堆栈结构也不会同，一般分为两种类型，分别是地址向上类型和地址向下类型两种方式。如portSTACK_GROWTH=（1）的宏定义表示地址向上增长，而portSTACK_GROWTH=（-1）表示地址方向向下增长。由于STM32的堆栈是向下增长的，因此定义为如下即可。

#define portSTACK_GROWTH (-1)

临界保护定义，主要定义的是进入和退出的中断保护，如#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()，表示开启全部中断；而#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()，表示关闭全局中断，退出临界保护。

（2）portasm.s 文件

Portasm.s 文件主要实现汇编的编写，这部分需要和STM32 CPU内核进行匹配。主要实现中断开启和中断关闭功能。 其代码如下：

开关中断代码如下：

ulPortSetInterruptMask: mrs r0,basepri

mov r1,#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY msr basepri,r1 bx r14

关闭中断代码如下：

vPortClearInterruptMask: msr basepri,r0 bx r14

（3）Port.c 文件

Port.c文件是整个FreeRTOS移植过程中修改最大的文件，主要移植任务堆栈初始化函数，时钟节拍中断函数，任务调度函数及软件中断函数四个函数。这四个函数都用C语言编写。

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