初學(xué)FreeRTOS

（1）使用ZC706開發(fā)板測(cè)試PS端網(wǎng)口（Echo，lwIP協(xié)議棧）；

（2）配合操作PL端LED（直接驅(qū)動(dòng)和使用消息隊(duì)列兩種方式）；

（3）PS端串口UART打印調(diào)試信息；

（4）QSPI固化（Dual Quad SPI Parallel 8 bit模式）。

ZC706中，MAC 控制器與 PHY 通過 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)。

一、工程概述

1. 開發(fā)板配置

使用Xilinx ZYNQ開發(fā)板ZC706，默認(rèn)配置ARM后即可使用PS端網(wǎng)口、串口和QSPI，放置AXI GPIO的IP核驅(qū)動(dòng)PL端的4個(gè)LED。

ARM端配置如下圖所示，以5處的ARM-A9為核心，使用1處的UART1打印調(diào)試信息，使用2處的網(wǎng)口0進(jìn)行以太網(wǎng)通信，使用3處的AXI GP（General Port）Master通用主設(shè)備接口連接PL端的AXI GPIO，最后使用4處的QSPI固化程序，燒錄Boot文件。

2. SDK程序

上述工程綜合、布局布線并生成bit流后，導(dǎo)出硬件。

新建應(yīng)用工程Application Project，選擇 OS Platform 平臺(tái)為 freertos10_xilinx （Vivado及SDK版本2018.2，低版本的可能是freertos9_xilinx），選擇Next，選中“ FreeRTOS lwIP Echo Server ”。

新建完成后，即可進(jìn)行最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)通信了。這里注意，默認(rèn)設(shè)置的是DCHP動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，需要開發(fā)板和電腦都連接到一個(gè)路由器上。如果直接使用網(wǎng)線連接開發(fā)板和電腦，則啟用 IPv4 協(xié)議，默認(rèn)配置的IP地址為192.168.1.10，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)196.128.1.1，如果想要更改默認(rèn)配置，可以在main.c文件的main_thread()主線程中修改，如下所示：

xil_printf("ERROR: DHCP request timed out\\r\\n");  
xil_printf("Configuring default IP of 192.168.1.10\\r\\n");  
IP4_ADDR(&(server_netif.ip_addr),  192, 168, 1, 10);  
IP4_ADDR(&(server_netif.netmask), 255, 255, 255,  0);    
IP4_ADDR(&(server_netif.gw),  192, 168, 1, 1);

LWIP 是一個(gè)小型開源的 TCP/IP 協(xié)議棧,支持IPv4、IPv6、TCP、UDP、DHCP等。

?IGMP 協(xié)議，用于網(wǎng)絡(luò)組管理，可以實(shí)現(xiàn)多播數(shù)據(jù)的接收

?Internet 協(xié)議（IP），包括 IPv4 和 IPv6，支持 IP 分片與重裝，包括通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

?用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和調(diào)試的 Internet 控制消息協(xié)議（ICMP）

?用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）

?傳輸控制協(xié)議（TCP）擁塞控制，往返時(shí)間（RTT）估計(jì)，快速恢復(fù)和重傳

?DNS，域名解析

?SNMP，簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議

?動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）

?以太網(wǎng)地址解析協(xié)議（ARP）

?AUTOIP，IP 地址自動(dòng)配置

?PPP，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，支持

3. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

使用網(wǎng)線直接連接ZC706開發(fā)板和計(jì)算機(jī)網(wǎng)口，配置計(jì)算機(jī)IP地址為192.168.1.11，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)192.168.1.1，其中IP地址的最后一處可以更改為其他值，但是不能和開發(fā)板的相同。

4. 開啟監(jiān)聽測(cè)試

使用SecureCRT軟件監(jiān)聽，除此之外，使用其他網(wǎng)口助手也可以。

二、工程測(cè)試

1. 測(cè)試Echo官方例程

先打開串口，波特率115200，下載官方例程到ZC706開發(fā)板，連接SecureCRT_CN，初始化工程中串口打印信息如下：配置DCHP動(dòng)態(tài)主機(jī)協(xié)議超時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為IPv4，將板子的IP地址配置為192.168.1.10，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)192.168.1.1，使用端口7。

在SecureCRT_CN界面輸入字符或字符串，回車，通過網(wǎng)口向開發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù)，開發(fā)板會(huì)返回同樣的數(shù)據(jù)，測(cè)試正確。

2. 分析源碼

2.1 main函數(shù)

打開main.c文件，找到main()函數(shù)。在main函數(shù)中創(chuàng)建了一個(gè)線程，傳入的參數(shù)依次為 線程名（調(diào)試用）、函數(shù)指針、函數(shù)需要的參數(shù)、需要的堆棧大小、優(yōu)先級(jí) 。

按照如下配置，調(diào)用了main_thread函數(shù)，不需要傳參（用0或NULL），堆棧大小由#define定義為1024，優(yōu)先級(jí)為2。

int main()    
{        
  sys_thread_new("main_thrd", (void(*)(void*))main_thread, 0,      
                  THREAD_STACKSIZE,      
                  DEFAULT_THREAD_PRIO);      
  vTaskStartScheduler();    
  while(1);    
  return 0;    
}

2.2 main_thread函數(shù)

此函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）初始化lwip協(xié)議棧；lwip_init();

（2）調(diào)用network_thread()創(chuàng)建線程；

（3）調(diào)用echo_application_thread()創(chuàng)建線程；

每500ms檢測(cè)一次DHCP是否成功，若成功則創(chuàng)建echo應(yīng)用線程，如果10秒還沒有成功，則啟用IPv4，配置IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)后，創(chuàng)建echo應(yīng)用程序；創(chuàng)建成功后退出while，配置完成；

while (1) {      
  vTaskDelay(DHCP_FINE_TIMER_MSECS / portTICK_RATE_MS);        
  if (server_netif.ip_addr.addr) {        
    xil_printf("DHCP request success\\r\\n");      
    print_ip_settings(&(server_netif.ip_addr), &(server_netif.netmask), &(server_netif.gw));      
    print_echo_app_header();          
    xil_printf("\\r\\n");    
    sys_thread_new("echod", echo_application_thread, 0,    
    THREAD_STACKSIZE,    
    DEFAULT_THREAD_PRIO);    
    break;    
  }  
  mscnt += DHCP_FINE_TIMER_MSECS;      
  if (mscnt  >= 10000) {    
    xil_printf("ERROR: DHCP request timed out\\r\\n");    
    xil_printf("Configuring default IP of 192.168.1.10\\r\\n");    
    IP4_ADDR(&(server_netif.ip_addr),  192, 168, 1, 10);    
    IP4_ADDR(&(server_netif.netmask), 255, 255, 255,  0);    
    IP4_ADDR(&(server_netif.gw),  192, 168, 1, 1);    
    print_ip_settings(&(server_netif.ip_addr), &(server_netif.netmask), &(server_netif.gw));      
    /* print all application headers */    
    xil_printf("\\r\\n");      
    xil_printf("%20s %6s %s\\r\\n", "Server", "Port", "Connect With..");    
    xil_printf("%20s %6s %s\\r\\n", "--------------------", "------", "--------------------");      


    print_echo_app_header();    
    xil_printf("\\r\\n");    
    sys_thread_new("echod", echo_application_thread, 0,    
    THREAD_STACKSIZE,    
    DEFAULT_THREAD_PRIO);    
    break;    
  }    
}

2.3 echo_application_thread函數(shù)

位置：echo.c文件。

（1）創(chuàng)建socket，綁定端口，監(jiān)聽；

（2）調(diào)用process_echo_request函數(shù)創(chuàng)建線程；

此函數(shù)需要傳入?yún)?shù)。

while (1) {  
  if ((new_sd = lwip_accept(sock, (struct sockaddr *)&remote, (socklen_t *)&size)) > 0) {  
      sys_thread_new("echos",       
                    process_echo_request,               
                    (void*)new_sd,  
                    THREAD_STACKSIZE,  
                    DEFAULT_THREAD_PRIO);  
  }    
}

2.4 process_echo_request函數(shù)

位置：echo.c文件， 用戶需要注意的最重要的函數(shù)，發(fā)送和接收的移植全部在這個(gè)函數(shù) 。

（1）接收數(shù)據(jù)，最大數(shù)據(jù)長度2048，char 類型，存儲(chǔ)在recv_buff 數(shù)組中，若接收出錯(cuò)，打印錯(cuò)誤信息并退出while；

（2）若接收到的數(shù)據(jù)的前4個(gè)字符為quit，則退出while；

（3）將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；

void process_echo_request(void *p)    
{    
  int sd = (int)p;    
  int RECV_BUF_SIZE = 2048;    
  char recv_buf[RECV_BUF_SIZE];    
  int n, nwrote;    


  while (1) {    
    /* read a max of RECV_BUF_SIZE bytes from socket */    
    if ((n = read(sd, recv_buf, RECV_BUF_SIZE)) < 0) {    
      xil_printf("%s: error reading from socket %d, closing socket\\r\\n", __FUNCTION__, sd);    
      break;    
    }    


    /* break if the recved message = "quit" */    
    if (!strncmp(recv_buf, "quit", 4))    
      break;    


    /* break if client closed connection */    
    if (n <= 0)    
      break;    


    /* handle request */    
    if ((nwrote = write(sd, recv_buf, n)) < 0) {      
      xil_printf("%s: ERROR responding to client echo request. received = %d, written = %d\\r\\n",    
          __FUNCTION__, n, nwrote);      
      xil_printf("Closing socket %d\\r\\n", sd);    
      break;    
    }  
  }  


  /* close connection */   
  close(sd);     
  vTaskDelete(NULL);   
}

3. 測(cè)試網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)

由2.4可知，在process_echo_request函數(shù)中更改發(fā)送即可。新增一個(gè)字符數(shù)組：

char tx_buf[16]={'H','e','l','l','o',',','W','o','r','l','d','\\r','\\n'};

在發(fā)送完接收到的數(shù)據(jù)后，新增一個(gè)發(fā)送函數(shù)，即可發(fā)送tx_buf數(shù)組，長度為16：

write(sd, tx_buf, 16);

4. 測(cè)試網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)并控制LED

在向開發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，規(guī)定一組特殊數(shù)據(jù)，如“l(fā)ed0”、“l(fā)ed5”、“l(fā)ed8”等，前3個(gè)字符“l(fā)ed”用于指示這部分?jǐn)?shù)據(jù)是用于控制LED的，第4個(gè)字符表示點(diǎn)亮組合，四個(gè)LED使用二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)為0~15， 注意，這里發(fā)送的是ASCII字符，在控制LED時(shí)需處理成數(shù)字（減 ’0’） 。

接收到數(shù)據(jù)后，仿照函數(shù)中對(duì)quit字符串的處理方式，新增一個(gè)處理，將接收到的字符串與字符串“l(fā)ed”比較，如果收到的字符串的前3個(gè)字符是“l(fā)ed”，則使用第4個(gè)字符控制LED的亮滅。

strncmp 函數(shù)， 字符串比較函數(shù)，字符串大小的比較以ASCII 碼表上的順序來決定。函數(shù)聲明為 int strncmp ( const char * str1, const char * str2, size_t n ) ，把 str1 和 str2 進(jìn)行比較，最多比較前 n 個(gè)字節(jié)，若str1與str2的前n個(gè)字符相同，則返回0；若s1大于s2，則返回大于0的值；若s1 小于s2，則返回小于0的值。

if (!strncmp(recv_buf, "led", 3)) { 
  XGpio_DiscreteWrite(&Gpio_Led, 1, recv_buf[3]-'0'); 
  xil_printf("Led Value =  %d\\r\\n", recv_buf[3]-'0'); 
}

5. 測(cè)試LED任務(wù)及消息隊(duì)列

**5.1 **包含頭文件，聲明隊(duì)列

#include "FreeRTOS.h"  
#include "task.h"  
#include "queue.h"  
#include "timers.h"  
QueueHandle_t xQueue = NULL;

**5.2 **在main函數(shù)中創(chuàng)建消息隊(duì)列

傳入兩個(gè)參數(shù)，分別為隊(duì)列長度和隊(duì)列中每個(gè)元素的長度，xQueueCreate(1,1) 表示隊(duì)列長度為1，隊(duì)列中的每個(gè)元素時(shí)一個(gè)char類型數(shù)據(jù)，xQueueCreate(2,15) 表示隊(duì)列長度為2，每個(gè)元素都是一個(gè)char[15]類型的字符數(shù)組。

xQueue = xQueueCreate(1,1);  
/* Check the queue was created. 檢查隊(duì)列是否創(chuàng)建成功*/  
configASSERT( xQueue );

**5.3 **在main函數(shù)中創(chuàng)建LED任務(wù)，接收隊(duì)列消息

xTaskCreate( prvPlLedTask,  
            ( const char * ) "PL Led",  
            configMINIMAL_STACK_SIZE,  
            NULL,  
            tskIDLE_PRIORITY + 1,  
            NULL);

其中，調(diào)用的prvPlLedTask定義如下，每次從隊(duì)列中讀取一個(gè)char類型的數(shù)據(jù)，若隊(duì)列為空則等待，若隊(duì)列不為空則讀出后控制LED，注意這里的rece_led_value一定要加取地址符號(hào)&，表示傳入指針，否則出錯(cuò)。

static void prvPlLedTask( void *pvParameters )  
{  
  const TickType_t x1second = pdMS_TO_TICKS( DELAY_1_SECOND );  
  char rece_led_value;  


  for( ;; )  
  {  
    xil_printf( "PL LED task\\r\\n" );  
    xQueueReceive( xQueue,  /* The queue being read. */  
          &rece_led_value,  /* Data is read into this address. */  
          portMAX_DELAY );  /* 延時(shí) */  


    xil_printf( "PL LED task\\r\\n" );  
    xil_printf( "rece_led_value = %d\\r\\n", rece_led_value-'0' );  
  XGpio_DiscreteWrite(&Gpio_Led, 1, rece_led_value-'0');  


  /* Delay for 1 second. */  
  vTaskDelay( x1second );  
  }  
}

**5.4 **在process_echo_request中添加發(fā)送隊(duì)列消息

若滿足條件，則將對(duì)LED的控制信息寫入隊(duì)列，注意要加取地址符號(hào)&。

if (!strncmp(recv_buf, "led", 3)) {  
  xQueueSend( xQueue,  
              &recv_buf[3],  
              0UL );  
}

三、程序固化

1. 新建FSBL工程

2. 生成Boot鏡像文件

生成工程后，右鍵“Create Boot Image”,依次添加FSBL工程的elf（默認(rèn)已添加）、工程的bit文件（默認(rèn)已添加）、需固化的程序elf（Add找到路徑添加），“Create Image”。

3. 燒錄QSPI Flash

選擇Image和FSBL的路徑，對(duì)Flash， 一定選擇“qspi_dual_parallel” ， 若選擇“qspi_single”也能下載成功，但是無法加載，ZC706板載指示燈亮紅燈 。

4. 配置啟動(dòng)模式