基于FreeRTOS和RISC-V的USB PD協(xié)議實現(xiàn)

1 FreeRTOS簡介

FreeRTOS 是市場領(lǐng)先的面向微控制器和小型微處理器的實時操作系統(tǒng)(RTOS)，與世界領(lǐng)先的芯片公司合作開發(fā)。FreeRTOS 通過 MIT 開源許可免費分發(fā)，包括一個內(nèi)核和一組不斷豐富的庫，適用于所有行業(yè)領(lǐng)域。FreeRTOS 的構(gòu)建強調(diào)可靠性和易用性。FreeRTOS 的主要功能可以歸結(jié)為以下幾點：

優(yōu)先級調(diào)度、相同優(yōu)先級任務(wù)的輪轉(zhuǎn)調(diào)度，同時可設(shè)成可剝奪內(nèi)核或不可剝奪內(nèi)核

任務(wù)可選擇是否共享堆棧（co-routines& tasks），并且沒有任務(wù)數(shù)限制

消息隊列，二值信號量，計數(shù)信號量，遞歸互斥體

時間管理

內(nèi)存管理

1.1 FreeRTOS特點：

FreeRTOS的特點：

小型節(jié)能內(nèi)核 大小可擴展，可用程序內(nèi)存占用低至 6KB。一些架構(gòu)包括無滴答的節(jié)能模式；

支持 40 多種架構(gòu) 代碼庫支持 40 多種 MCU 架構(gòu)和15 多種工具鏈，包括最新的 RISC-V 和 ARMv8-M (Arm Cortex-M33) 微控制器；

模塊化庫 越來越多的加載項庫，適用于所有行業(yè)領(lǐng)域，包括安全的本地或云連接；

AWS參考集成 利用經(jīng)過測試的示例，其中包括安全連接到云所必需的所有庫；

MIT許可，有選項 FreeRTOS 可根據(jù)MIT 許可用于任何目的。提供商業(yè)許可，以及安全認(rèn)證。

2 RISC V簡介

RISC-V是加州大學(xué)伯克利分校（University of California at Berkeley）設(shè)計并發(fā)布的一種開源指令集架構(gòu)，其目標(biāo)是成為指令集架構(gòu)領(lǐng)域的Linux，應(yīng)用覆蓋IoT（Internet of Things）設(shè)備、桌面計算機、高性能計算機等眾多領(lǐng)域。

RISC-V讀作RISC Five，意思是第五代精簡指令處理器。取這個名字只是因為美國伯克利研究團隊的David Patterson教授在此之前已經(jīng)研制了四代精簡指令處理器芯片。

RISC-V是由UC-Berkeley團隊在歷代RISC架構(gòu)基礎(chǔ)上，總結(jié)多個ISA 優(yōu)缺點而重新創(chuàng)建的一種新式ISA， 它采取“開源”的模式對全世界開放，希望成為一切計算設(shè)備都可以采用的指令集架構(gòu)。它的開放性允許它可以自由地被用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售基于RISC-V的芯片或軟件，這種徹底的開放性在處理器領(lǐng)域還是第一次。

2.1 RISC-V的特點

首先是開源的優(yōu)勢：

任何公司和個人不需任何費用就可以自由使用RISC-V，不像ARM指令集需要支付高昂授權(quán)費，也不像英特爾不開放內(nèi)核，只允許用戶基于微處理器進行應(yīng)用開發(fā)。

RISC-V的開源會大大降低指令集修改和定制的門檻，在實現(xiàn)芯片差異化設(shè)計的同時降低成本，對發(fā)展自主可控處理器、擺脫壟斷有著十分重要的意義。

其次是功能優(yōu)勢：

RISC-V架構(gòu)的篇幅很短，不用背負(fù)向后兼容的歷史包袱；

模塊化的靈活設(shè)計，RISC-V可根據(jù)特定應(yīng)用場景對指令集進行裁剪或修改；

RISC-V支持可擴展定制指令；

RISC-V硬件設(shè)計與編譯器實現(xiàn)起來非常簡單。

3 基于FreeRTOS & RISC V內(nèi)核的PD協(xié)議的應(yīng)用

3.1 UM3506 PD SoC

廣芯微旗下雙向PD快充控制器芯片UM3506 (TID: 2465), 采用軟硬結(jié)合的靈活可編程架構(gòu)，全面支持PD3.1 SRC, SNK, 雙向DRP和 EMARK功能，其中包括SPR下的PPS和ERP下的AVS動態(tài)電壓模式，同時還可支持EPR線纜中PD 3.1 EMARK模式。

UM3506芯片采用TCPM/TCPC分層架構(gòu)，集成原生的TCPC-like前端模塊，包括用于Type-C接口檢測與控制的數(shù)字邏輯和模擬電路，PD PHY層的分組BMC編解碼以及PD協(xié)議層中對時序有嚴(yán)格要求的關(guān)鍵功能，同時創(chuàng)新地集成了基于RISC-V 指令集的32位微處理器內(nèi)核，大容量FLASH閃存/SRAM存儲器、增強的外設(shè)接口和豐富的系統(tǒng)資源。

3.2 應(yīng)用案例

USB PD EMARK數(shù)顯線，自帶0.96寸液晶屏幕，在內(nèi)置EMARK功能從而支持100W功率傳輸?shù)耐瑫r，還可通過屏幕顯示電壓電流等參數(shù)，實時了解設(shè)備用電信息。通過內(nèi)置16通道12位ADC配合采樣電阻采集電流信息，并采集母線電壓信息。

項目使用FreeRTOS, FreeRTOS 的實現(xiàn)主要由 list.c、queue.c、croutine.c 和 tasks.c 4 個文件組成。list.c 是一個鏈表的實現(xiàn)，主要供給內(nèi)核調(diào)度器使用；queue.c 是一個隊列的實現(xiàn)，支持中斷環(huán)境和信號量控制；croutine.c 和 task.c 是兩種任務(wù)的組織實現(xiàn)。協(xié)程（英文為 croutine）是采用各任務(wù)共享同一個堆棧， 使 RAM 的需求進一步縮小，但也正因如此，他的使用受到相對嚴(yán)格的限制。而 task 則是傳統(tǒng)的實 現(xiàn)，各任務(wù)使用各自的堆棧，支持完全的搶占式調(diào)度。

3.2.1 FreeRTOS移植

3.2.1.1 portmacro.h 頭文件

portmacro.h頭文件主要包括兩部分內(nèi)容。第一部分定義了一系列內(nèi)核代碼中用到的數(shù)據(jù)類型，第二部分包含了實現(xiàn) FreeRTOS 移植所需要定義的函數(shù)。包括與架構(gòu)相關(guān)的定義、內(nèi)核調(diào)度、臨界區(qū)管理、任務(wù)優(yōu)化等。

1．?dāng)?shù)據(jù)類型定義

定義編譯器相關(guān)的各種數(shù)據(jù)類型。

#define portCHAR char

#define portFLOAT float

#define portDOUBLE double

#define portLONG long

#define portSHORT short

#define portSTACK_TYPE unsigned portLONG

#define portBASE_TYPE long

2．架構(gòu)相關(guān)的定義

定義與處理器或控制器架構(gòu)相關(guān)的宏定義。

#define configUSE_16_BIT_TICKS 0 //處理器字長為32 位

#define portSTACK_GROWTH -1 //定義堆棧的生長方向逆向生長

//定義心跳時鐘周期，表示的是相鄰Tick間間隔多少ms

#define portTICK_RATE_MS((portTickType)1000/configTICK_RATE_HZ)

//訪問SRAM的字節(jié)對齊

#define portBYTE_ALIGNMENT 8

3．內(nèi)核調(diào)度函數(shù)

/* 聲明該函數(shù)定義在其它文件中，實現(xiàn)強制上下文切換，用在任務(wù)環(huán)境中調(diào)用 */

extern void vPortYieldFromISR( void );

#define portYIELD() vPortYieldFromISR()

/* 強制上下文切換，在中斷處理環(huán)境中調(diào)用 */

#define portEND_SWITCHING_ISR(xSwitchRequired)if(xSwitchRequired)

vPortYieldFromISR()

3.2.1.2port.c 源文件

1．堆棧初始化

進行堆棧的初始化，使堆棧處于預(yù)知的確定狀態(tài)。下面是堆棧初始化的代碼實現(xiàn)。

StackType_t*pxPortInitialiseStack( StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void*pvParameters )

{

/* 計算存儲程序狀態(tài)寄存器xPSR的堆址，用于MCU在進入或退出中斷時恢復(fù)現(xiàn)場*/ register int *tp asm("x4");

pxTopOfStack--;

/* 程序狀態(tài)寄存器的值保存于堆棧中 */

*pxTopOfStack = (portSTACK_TYPE)pxCode;

pxTopOfStack -= 22;

*pxTopOfStack = (portSTACK_TYPE)pvParameters;

pxTopOfStack -= 6;

*pxTopOfStack = (portSTACK_TYPE)tp;

pxTopOfStack -= 3;

*pxTopOfStack = (portSTACK_TYPE)prvTaskExitError;

return pxTopOfStack;

}

2．啟動任務(wù)調(diào)度

portBASE_TYPE xPortStartScheduler( void )

{

/* 讓任務(wù)切換中斷和心跳中斷位于最低的優(yōu)先級，使更高優(yōu)先級可以搶占MCU */

*(portNVIC_SYSPRI2) |= portNVIC_PENDSV_PRI;

*(portNVIC_SYSPRI2) |=portNVIC_SYSTICK_PRI;

/* 啟動定時器，開始產(chǎn)生系統(tǒng)的心跳時鐘，此處中斷已被關(guān)閉 */

prvSetupTimerInterrupt();

/* 初始化臨界區(qū)的嵌套的個數(shù)，準(zhǔn)備啟動第一個任務(wù) */

uxCriticalNesting = 0;

/* 啟動第一個任務(wù) */

vPortStartFirstTask();

/* 執(zhí)行到vPortStartFirstTask函數(shù)，內(nèi)核已經(jīng)開始正常的調(diào)度 */

return 0;

}

FreeRTOS首先為剛創(chuàng)建的任務(wù)分配所需內(nèi)存，若分配成功，則初始化任務(wù)名稱、堆棧深度和任務(wù)優(yōu)先級，然后根據(jù)堆棧的增長方向初始化任務(wù)控制塊的堆棧。接著，F(xiàn)reeRTOS把當(dāng)前創(chuàng)建的任務(wù)加入到就緒任務(wù)鏈表。當(dāng)進行任務(wù)調(diào)度時，調(diào)度算法首先實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級從高到低的順序從就緒任務(wù)鏈數(shù)組中選擇當(dāng)前最高就緒優(yōu)先級，據(jù)此實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。若此優(yōu)先級下只有一個就緒任務(wù)，則該任務(wù)進入運行狀態(tài)，若此優(yōu)先級下有多個就緒任務(wù) 則需采用輪換調(diào)度算法實現(xiàn)多任務(wù)輪流執(zhí)行。

3.2.2 項目軟件實現(xiàn)

本項目采用Eclipse IDE，系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)進行硬件和時鐘初始化，MCU和操作系統(tǒng)的工作方式和工作狀態(tài)進入準(zhǔn)備階段，除了空閑任務(wù)，還創(chuàng)建了三個任務(wù)：

（1）vUSBPDTask應(yīng)用于處理PD協(xié)議，EMARK信息處理，充電方向，電壓、電流數(shù)據(jù)采集并計算功率，耗電功率等數(shù)據(jù)，最高優(yōu)先級；

（2）vUartRxTask串口數(shù)據(jù)接收任務(wù)，用于系統(tǒng)調(diào)試，第二優(yōu)先級；

（3）vSysLcdHandlerTask顯示任務(wù)，可以通過按鍵切換各個顯示界面，為了在各個狀態(tài)下顯示界面不被打亂，創(chuàng)建 了g_sys_lcd_info.bus_lock互斥信號量，顯示電壓、電流、功率、充電方向、用電功率等信息，第三優(yōu)先級；

顯示任務(wù)執(zhí)行耗時最長，vUSBPDTask需要快速響應(yīng)，可以搶占其他任務(wù)從而確保PD信息的及時響應(yīng)和處理，又不影響顯示屏幕的顯示效果。

軟件流程圖如下：

本項目產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，實現(xiàn)實時多任務(wù)操作的同時縮短開發(fā)周期，保證了產(chǎn)品實時處理EMARK信號、準(zhǔn)確快速采集電壓電流等信息、顯示流暢，廣受客戶歡迎。

UM3506的DEMO軟件已經(jīng)做好了FreeRTOS的移植，客戶可以很方便地根據(jù)需求創(chuàng)建自己的任務(wù)，快速開發(fā)產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅