STM32F4XX LWIP+freeRTOS移植(一)

有疑問請加扣扣技術交流群：460189483

原始碼下載地址：https://download.csdn.net/download/u014453443/10698059

TM32F429IGT6原子開發板進行驗證的，PHY晶片為LAN8720

原子哥的程式都是ucos_ii+lwip的工程，沒有freeRTOS+lwip的工程，這裡對比二種系統的差異，來進行lwip的freeRTOS的移植

LWIP 無作業系統移植實驗的LWIP 資料夾可以發現有一個arch 資料夾，在arch 中有5 個檔案cc.h、cpu.h、perf.h、sys_arch.h和sys_arch.c。根據sys_arch.txt 中的描述，cc.h 主要完成了協議棧內部使用的資料型別的定義，如果使用作業系統的話還有臨界程式碼區保護等等。

lwip_comm資料夾，這個檔案中有lwip_comm.c、lwip_comm.h 和lwipopts.h這三個檔案，lwip_comm.c 和lwip_comm.h 是將LWIP 原始碼和前面的乙太網驅動庫結合起來的橋樑！這兩個檔案非常重要，這兩個檔案有ALIENTEK 提供。lwipopts.h 是用來裁剪和配置LWIP的檔案，以後我們想要使用LWIP 的什麼功能的話就在這個檔案中配置就行了。

綜上所述，ucos_ii+lwip的工程涉及到LWIP的總計8個檔案，分別是cc.h、cpu.h、perf.h、sys_arch.h、sys_arch.c、lwip_comm.c 、lwip_comm.h和lwipopts.h。要變更為freeRTOS+lwip，只需要更改cc.h、sys_arch.h、sys_arch.c三個檔案即可，其他與ucos_ii+lwip的保持一致即可（將裡面ucos_ii的函式替換為freeRTOS的即可）。這幾個檔案作用如下：

最主要是重寫sys_arch.c,sys_arch.h,cc.h這三個檔案即可，是參照lwip教程的實驗2進行修改進行，要重寫的函式基本上都在lwip_sys.h這個檔案中定義好了，只要將裡面的函式都實現了即可！

1. cc.h的重寫

第一步：包含的標頭檔案要改變，includes.h是指包含ucos_ii系統的所有標頭檔案，要使用freeRTOS必須包含FreeRTOS.h

下面如圖是使用ucos_ii系統時的標頭檔案

變更為如下所示的標頭檔案，因為在sys_arch.c中要使用到freeRTOS的任務控制程式碼，所以也要包含task.h

第二步：要改變的區域就是臨界區程式碼保護區域，ucos_ii的內容如下：

因為ucos_ii的臨界區保護有2種型別，型別根據OS_CRITICAL_METHOD來決定，一般都是用的3，而且ucos_ii的臨界區保護不分任務級與中斷級，所有保護函式只有一個，而freeRTOS是區分任務級與中斷級的，這一點一定要注意！

使用freeRTOS時，這一部分的程式碼更改如下:

其中，SCB_ICSR_REG定義的暫存器是用於區分當前是任務級還是中斷級的，主要在Enter_Critical()與Exit_Critical()中使用，

Enter_Critical()與Exit_Critical()這兩個函式是在sys_arch.c中實現的，所以此處加extern宣告為外部函式，Enter_Critical()用於宣告進入保護臨界區，Exit_Critical()宣告退出保護臨界區，cc.h的內容更改完成

2. sys_arch.h中的重寫

在使用ucos_ii時，該檔案內容如下：

標頭檔案中includes.h包含的是ucos_ii的標頭檔案，需要更改為FreeRTOS.h,sys_arch.c中要使用FreeRTOS的訊息佇列和訊號量，還必須要包含queue.h和semphr.h；ucos_ii沒有訊息佇列，所以這裡使用了自定義的訊息佇列結構，freeRTOS中本身就有訊息佇列，可以直接使用，所以變更如下：

經過對比，有些童鞋可能疑問為什麼ucos_ii系統中對sys_sem_t、sys_mutex_t、sys_mbox_t資料結構的定義是用的指標，而freeRTOS系統中沒有用指標，其實你定義為指標，或者非指標，都可以，對系統沒有什麼影響，不同之處在於sys_arch.c中函式的實現，如果使用的是指標，那麼對變數引用一定要 (*變數)->變數  這樣才可以，如果定義為非指標 變數->變數 這樣就可以了，大家完全可以按照自己的喜好來定義。

3. sys_arch.c中的重寫

sys_arch.c中要重寫的函式與ucos_ii一樣的，也是實現這幾個函式而已，現將兩個系統的函式拿來做一下對比，根據原子教程，要實現的函式如下所示：

如果大家想知道這些函式的原型定義，可以在檔案lwip_sys.h中找到

第一個：sys_sem_new函式，用於建立訊息郵箱，lwip_sys.h中函式原型如下：

使用ucos_ii系統時，實現方法如下：

因為是二級指標，所以要給mbox分配記憶體，分配記憶體使用的是原子的記憶體池的方法，從192k的內部sram中分配，然後使用ucos_II的佇列建立函式建立佇列，大小為size，如果建立失敗就釋放掉分配的記憶體，並返回佇列建立的狀態資訊

使用freeRTOS時變更如下：

使用freeRTOS的佇列建立函式建立佇列，佇列長度為size，訊息型別長度為指標長度（4位元組），這樣就建立了一個存放指標的訊息佇列，如果建立失敗，返回錯誤，與ucos_ii相比，預設了記憶體分配環節，這是因為xQueueCreate函式是動態建立訊息佇列，由freeRTOS系統自動分配記憶體，分配失敗了不需要自己釋放！

第二個：sys_mbox_free函式，用於刪除一個訊息郵箱，lwip_sys.h中函式原型如下：

使用ucos_ii系統時，實現方法如下：

先建立一個訊息佇列指標，儲存要刪除的訊息佇列，然後呼叫ucos_ii的函式刪除這個訊息佇列，然後呼叫原子的sh釋放函式釋放掉訊息佇列的記憶體，將訊息佇列指標賦值為nu'll，這兩個函式都比較好理解。

使用freeRTOS時變更如下：

第三個：sys_mbox_post函式，用於向訊息郵箱傳送訊息，阻塞式傳送，不成功一直等待，lwip_sys.h中函式原型如下：

ucos_ii系統時，該函式實現方法如下：

該函式比較好理解，就是向訊息郵箱傳送訊息，如果不成功則一直髮送，直到成功為止！

注意pvNullPointer是一個空指標的處理方法，如下值：

freeRTOS系統時，實現方法如下：

此處的空指標處理方法，NullMessage與上面不一樣，僅僅是定義了一下，並沒有賦值的操作，如下，可以賦值試試：

與ucos相比，分中斷中傳送訊息與任務中傳送訊息，如果返回pdPASS表示傳送成功，xHigherPriorityTaskWoken主要用於中斷中傳送完訊息後，進行判斷是否要進行任務切換！

其實如果細心的朋友一定會發現，在這個函式原型中有一句話，說明該函式僅僅用於在任務中傳送訊息，如下：

所以其實上面的在中斷中傳送訊息，並進行任務切換的操作是多餘的，本著嚴謹的態度還是寫上了，只是永遠不會執行到！

第四個：sys_mbox_trypost函式，嘗試向訊息郵箱傳送訊息，不阻塞式傳送，lwip_sys.h中函式原型如下：

在ucos_ii系統中的實現方式如下：

此函式比較簡單，只是嘗試向訊息郵箱傳送訊息，失敗就返回錯誤，不阻塞！

在freeRTOS中的實現方式如下：

因為該函式沒有講是在任務中還是中斷中使用，所以一定要將中斷考慮進去，比較簡單！

第五個：sys_arch_mbox_fetch函式，從訊息郵箱中等待一個新訊息，阻塞式等待，lwip_sys.h中函式原型如下：

在ucos_ii系統中的實現方法如下：其中timeout的單位是毫秒

此函式呼叫OSQPend從訊息佇列中獲取訊息，如ucos_timeout=0，就阻塞式等待直到新訊息的到來，如果ucos_timeout不為0，等待ucos_timeout個時鐘節拍後自動退出，返回OS_ERR_TIMEOUT,函式最終返回SYS_ARCH_TIMEOUT！通過判斷訊息地址是不是pvNullPointer來判斷訊息是不是NULL，該指標上面有說明。

freeRTOS的實現方式如下：

這部分的程式碼是經過優化的，一開始直接嘗試進行一次接收，如果有訊息就馬上返回，節省下了執行下面時間解析的時間，如果訊息是空的，再執行等待timeout時間，超時返回！有些人可能疑問freeRTOS系統是分任務級出隊函式與中斷級出隊函式的，為什麼我們這裡只用到了任務級出隊函式，主要是考慮到該函式需要delay timeout時間，應該不會在中斷中使用，否則就太傻了吧，中斷中使用的應該是下面 sys_arch_mbox_tryfetch這個函式，所以這裡只進行了任務級出隊函式，大家知道就好！

第六個：sys_arch_mbox_tryfetch函式，嘗試從訊息郵箱中接收一個新訊息，非阻塞式嘗試，lwip_sys.h中函式原型如下：

如果接收到訊息，返回0，如果沒有接收到訊息，返回SYS_MBOX_EMPTY

在ucos_ii系統中，該函式的實現方法如下：

這裡非常巧妙的呼叫sys_arch_mbox_fetch函式，將超時時間timeout設定為1毫秒，可能大家會疑惑，sys_arch_mbox_fetch超時時返回的是SYS_ARCH_TIMEOUT，而這裡需要返回SYS_MBOX_EMPTY，其實這兩個巨集定義是一個值，在lwip_sys.h中定義

如果不超時，sys_arch_mbox_fetch返回值是2毫秒，但是按照函式原型應該返回0毫秒才對，這一點沒搞懂，希望大神留言！

第7個：sys_mbox_valid函式，檢查一個郵箱是否有效，lwip_sys.h中函式原型如下：

返回1表示有效，返回0表示無效

ucos_ii系統中，該函式實現方式如下：

這個就是使用ucos自帶的函式實現，通過檢視返回值與佇列型別來判斷，不太理解的可以檢視該函式原型

返回值<2表示訊息佇列為NULL，OSNMsgs是訊息佇列中的訊息數（.OSQEntries的拷貝）OSQSize是訊息佇列的總的容量

freeRTOS的實現方法如下：

這裡的實現比較簡單，只是判斷該訊息佇列是否為NULL，感興趣的可以通過判斷佇列結構內容來進行判斷

第8個：sys_mbox_set_invalid函式，設定一個郵箱無效，lwip_sys.h中函式原型如下：

此函式只是將該一個訊息佇列設定為無效NULL即可，ucos_ii系統實現方式如下：

freeRTOS的實現方法也很簡單，如下：

第9個：sys_sem_new函式，建立一個訊號量，lwip_sys.h中函式原型如下：

建立一個訊號量，成功返回ERR_OK，失敗返回其它，count表示訊號量初值，

ucos_ii系統實現方式如下：

就是使用uc內部函式實現訊號量的建立，設定初值為count

freeRTOS系統實現方式如下：

freeRTOS中有二值訊號量、計數訊號量、互斥訊號量、遞迴訊號量，此處需要設定初值count，很明顯使用計數訊號量，第一個引數OXFF表示計數訊號量最大計數值，當訊號量值等於此值時釋放訊號量就會失敗

第10個：sys_arch_sem_wait函式，等待一個訊號量，lwip_sys.h中函式原型如下：

在規定的時間內等待一個訊號量，時間是毫秒，如果timeout是0，表示一直等待，成功的話返回值表示等待的時間，如果超時返回SYS_ARCH_TIMEOUT

ucos_ii系統實現方法如下：

比較好理解不解釋了，freeRTOS的實現方法如下：

這部分的程式碼是經過優化的，一開始直接嘗試進行一次訊號量接收，如果有訊號量就馬上返回，節省下了執行下面時間解析的時間，如果訊號量獲取失敗，再等待timeout時間，超時返回，或者一直等待，直到有訊號量為止！有些人可能疑問freeRTOS系統是分任務級獲取訊號量函式與中斷級獲取訊號量函式的，為什麼我們這裡只用到了任務級獲取訊號量函式，主要是考慮到該函式需要delay timeout時間，應該不會在中斷中使用，否則就太傻了吧，所以這裡只進行了任務級獲取訊號量函式，

第11個：sys_sem_signal函式，傳送（釋放）訊號量，lwip_sys.h中函式原型如下：

該函式也比較簡單，直接呼叫系統函式即可，ucos_ii系統實現方法如下：

freeRTOS系統實現方法如下：

這裡有一個問題，freeRTOS的訊號量釋放是區分任務與中斷的，ucos不用區分，所以這裡接下來會更新，更新如下：

第12個：sys_sem_free函式，刪除一個訊號量，lwip_sys.h中函式原型如下：

此函式比較簡單，就是呼叫系統函式刪除一個訊號量，ucos_ii系統實現方法如下：

freeRTOS系統實現方法如下：

第13個：sys_sem_valid函式，查詢一個訊號量是否有效，lwip_sys.h中函式原型如下：

查詢一個訊號量是否有效，返回1表示有效，返回0表示無效，ucos_ii實現方法如下：

freeRTOS系統沒有查詢訊號量API，簡單實現方法如下：

第14個：sys_sem_set_invalid函式，設定一個訊號量無效，lwip_sys.h中函式原型如下：

這個函式比較簡單，ucos_ii系統實現如下：

freeRTOS系統實現如下：

第15個：sys_thread_new函式，建立程式，lwip_sys.h中函式原型如下：

僅僅用於建立一個新的程式，該程式用於TCP IP核心程式，name表示執行緒名稱，thread表示執行緒執行函式，arg傳遞給執行緒的引數，stacksize執行緒堆疊大小，prio執行緒優先順序，ucos_ii系統實現方法如下：

freeRTOS系統實現方法如下：

與uc不同的是，多出來一個任務控制程式碼全域性變數的定義LWIP_ThreadHandler，是因為函式需要！

第16個：sys_init函式，初始化作業系統模擬層，lwip_sys.h中函式原型如下：

這個函式不需要填寫內容，寫一個空函式即可

第17個：sys_msleep函式，LWIP的延時函式，lwip_sys.h中函式原型如下：

ucos_ii系統、freeRTOS系統使用的原子的延時函式

第18個：sys_now函式，獲取當前系統時間，單位ms，lwip_sys.h中函式原型如下：

ucos_ii系統直接呼叫系統API獲得時間節拍，再轉化為毫秒即可，實現方式如下：

freeRTOS系統實現方式如下：

通過呼叫HAL_GetTick()獲得系統時鐘節拍，該函式在系統的滴答時鐘中斷中被週期的呼叫，來記錄系統時間，過程如下：

第18個：Enter_Critical、Exit_Critical函式，cc.h中宣告的臨界區程式碼保護函式，ucos_ii系統直接使用的系統臨界區保護函式，freeRTOS中因為分任務級與中斷級，所以需要做一個判斷，freeRTOS實現程式碼如下：

通過SCB_ICSR_REG&0XFF來判斷是在中斷還是任務中

至此，sys_arch.c函式的內容全部完成！