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2022开源操作系统训练营第二阶段总结-唐洪雨

2022 开源操作系统训练营第二阶段总结

2022.09 唐洪雨 RFreeRTOS

经过2022年开源系统系统训练营的第一阶段学习,在第二阶段中我选择的课题是基于Rust语言的嵌入式实时操作系统RFreeRTOS,这是市场主流RTOS——FreeRTOS 的Rust语言实现。我的主要工作是复现已有的实验结果,进一步完善测例,并能移植到CH32V307芯片。

第二阶段学习内容

以下内容都是基于 Rust 语言的开发:

  1. 沁恒 CH32V307 芯片的裸机开发
  2. 全志 D1 芯片的 Qemu 编译、下载、运行
  3. 基于 D1 的哪吒开发板的编译、下载、运行
  4. RFreeRTOS 学习

沁恒 CH32V307 介绍

CH32V307系列是基于32位RISC-V设计的互联型微控制器,配备了硬件堆栈区、快速中断入口,在标准RISC-V基础上大大提高了中断响应速度。加入单精度浮点指令集,扩充堆栈区,具有更高的运算性能。扩展串口UART数量到8组,电机定时器到4组。提供USB2.0高速接口(480Mbps)并内置了PHY收发器,以太网MAC升级到千兆并集成了10M-PHY模块。

系统框图

系统框图

类似于STM32F407,但具有更多的存储资源、外设接口,尤其是自带8路串口和10M-PHY模块,天生就为了串口服务器而生。

MCU 裸机开发

Rust的四个核心业务场景:命令行、WebAssembly、网络、嵌入式,社区为嵌入式专门设立一个团队,为嵌入式开发做了很多约定、标准,给整个生态打下了良好的基础。

并不针对这一种芯片,而是使用 Rust 开发 RISCV MCU(单片机)的一些心得:

  1. 安装交叉编译工具, rustup target add xxx
  2. 很多内核,嵌入式团队已经做好了基础工程,如 risv 类的就有 riscv-rust-quickstart,在这类工程上进行自己使用芯片的功能添加;

  3. PAC库和HAL库,前者外设访问库是裸机开发必要库,不同于C语言开发时使用的厂家SDK,PAC库利用一个工具(svd2rust)将芯片的寄存器描述svd文件转换得到,内容精准、详尽,且可以做到多家芯片代码风格统一。HAL是硬件抽象库,网友或者厂家基于PAC库实现,质量参差不齐;

  4. 修改内存链接文件。根据芯片的内存布局,编写自己的链接文件;

接下来就可以编译下载了。得益于社区嵌入式团队前期设定的标准,使得不同厂家、不同平台的芯片,在开发流程上能够高度统一。

详细内容单独写了一个章节进行记录

全志 D1 介绍

D1-H哪吒开发板基于全志D1-H芯片设计,集成阿里平头哥RISC-V C906 CPU,主频1GHz,支持标准Linux内核,最大支持2G DDR3、258MB spi-nand、WiFi/蓝牙连接,具有丰富的音视频接口可强大的音视频编解码能力,可连接各种外设,集成了MIPI-DSI+TP接口、SD卡接口、LEDC灯、HDMI接口、麦克风子板接口、3.5mm耳机接口、千兆以太网接口、USB HOST、Type-C接口、UART Debug接口、40pins插针阵列等,可以满足日常科研教学、产品项目预研、开发爱好者DIY的需求。

系统框图

系统框图

更适合做一些视频相关的商用嵌入式产品。

Qemu 模拟开发环境搭建

在高性能芯片上做开发时,为了方便测试、验证,往往需要先在 Qemu 模拟环境下跑通编译、运行,再做进一步适配,然后下载到实体开发板中测试、验证。RFreeRTOS 项目同样如此,支持 Qemu 内运行。

  • 工具链安装。主要是 nightly 版本,RFreeRTOS 使用到的部分 crate 还未完全稳定,为了方便将 nightly 设为默认编译环境。另外,RFreeRTOS 支持 RV32 和 RV64,分别安装各自的 none-elf 交叉编译工具。

  • 编译、运行、调试。在 ./makefile 已经写好了相关命令,build对应编译、run32run64对应直接启动运行,debug对应编译并以调试模式启动qemu,remote对应挂载gdb调试客户端。

  • 运行结果。通过查看 main.rs 内容,可以看到共创建了两个任务,优先级分别为 32,两个任务都会有运行日志输出,高优先级内有 100ms 延时函数,观察运行结果,符合预期:

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    11
    12
    ...
    low priority task running
    low priority task running
    after delay:pxPreviousWakeTime=42400
    high priority task running
    low priority task running
    ...
    low priority task running
    after delay:pxPreviousWakeTime=42500
    high priority task running
    low priority task running
    ...

Nezha 物理开发环境搭建

  • 编译工具。从芯片官网 occ.t-head.cn 下载工具链 Xuantie-900-gcc-elf-newlib-x86_64-V2.6.0-20220715.tar.gz,解压后将 bin 目录添加到环境变量;

  • 下载工具:xfel。全志的芯片大多支持fel模式,普通的 fel 工具不支持 riscv 芯片,需要使用新版本 xfel,按照 文档说明 进行安装;

编译、运行、调试

  • 执行 make build 进行编译,得到 RFreeRTOS_Image 固件;
  • 按住开发板上 fel 按键上电,是芯片进入 fel 模式;
  • 执行以下命令完成下载并执行:
    1
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    3
    sudo xfel ddr d1
    sudo xfel write 0x40000000 RFreeRTOS_Image
    sudo xfel exec 0x40000000

关于下载地址 0x4000_0000 后续会有详细说明。

运行结果

原代码的输出结果较混乱,这是简单修改后的结果:

nazha-first-run

RFreeRTOS 介绍

FreeRTOS 是一款嵌入式实时操作系统,主要用于微控制器和小型微处理器,是工业上使用最广泛的实时操作系统。RFreeRTOS 是其 Rust 实现。

核心函数 作用
vTaskEnterCritical() 进入临界区
vTaskExitCritical() 退出临界区
vTaskStartScheduler() 启动调度器
xTaskCreate() 创建任务
xTaskCreateStatic() 静态创建任务
vTaskSwitchContext() 切换上下文
  • 进入临界区的简单处理就是关中断并记录进入次数,退出临界区时检查次数,0时打开中断

现阶段实现的组件有:内存分配、事件组、队列。

启动流程

通过查看用户手册,D1支持的启动方式有:On-chip Memory、SD card、eMMC、SPI NOR Flash、SPI NAND Flash,但这些方式本项目中暂时都用不到。通过查看用户手册,DRAM 映射在 0x4000_0000 地址:
DRAM

编写链接脚本,将所有段都输出到此地址,然后在fel模式中通过xfel工具将固件加载到此地址,再从此地址执行。

查看启动文件,程序的启动流程为:
程序启动流程图

任务切换

一个任务即一个函数,每个任务都有自己的栈空间和内核寄存器的备份,需要运行哪个任务,只需要将当前的内核寄存器保存下来,并更新成新任务的内核寄存器,这就是运行时上下文切换,即可完成任务切换。

内核寄存器除了通用寄存器,还有 mstatusmepc 寄存器,其中 mstatus 中含有中断使能控制位,而 mepc 为M模式下异常程序指针寄存器,其值会更新给 PC 寄存器,不像ARM架构中 PC 寄存器暴露在通用寄存器中可以直接操作,RISCV 正是通过设置 mepc 寄存器的值来控制程序运行的切换。

任务切换主要在 vTaskSwitchContext() 中完成,内部工作是:

  • 从就绪队列中选择优先级最高的任务
  • 将其TCB赋给全局TCB变量
  • 将全局TCB内容更新至内核寄存器
  • 更新 spmepc 实现新任务运行

任务列表

  • READY_TASK_LISTS
  • DELAYED_TASK_LIST
  • OVERFLOW_DELAYED_TASK_LIST
  • SUSPENDED_TASK_LIST
  • PENDING_READY_LIST

任务控制块

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pub struct tskTaskControlBlock {
///Stack top pointer
pub pxTopOfStack: StackType_t_link,
///Stack bottom pointer
pxStack: StackType_t_link,
///Task name
pcTaskName: String,
///Task status list pointer
pub xStateListItem: ListItemLink,
///Task evnet list pointer
pub xEventListItem: ListItemLink,
///
pub uxCriticalNesting: UBaseType_t,
/// Task priority
pub uxPriority: UBaseType,
pub uxMutexesHeld: UBaseType,
pub uxBasePriority: UBaseType,
/// mark for ffi
pub build_from_c: bool,
}

FFI 接口

FFI 即 Foreign Function Interface 是一种机制:用一种编程语言写的程序能调用另一种编程语言写的函数。

FFI 有两种内函:一种是在当前正在使用的语言(Host)中,调用由其它语言(Guest)提供的函数;另一种是则相反,当前语言(Host)写的函数,供其它语言(Guest)调用。支持后者的语言很少,本项目使用的 Rust 和 C 属于两种都支持的语言。

在刚开始时,我以为本项目属于后者,由 Rust 编写的内核函数,供 C 语言写的测例调用,直到最近在进一步了解项目后才知道恰恰相反,原作者因为一些问题未能实现,还是由 Rust 语言调用 C 语言的测例。

项目中有大量 pub extern "C" fn main_rust() -> ! {}extern "C" {} 这样的代码,给代码的阅读和修改带来一定的麻烦,我也正是卡在这里很久,还需要时间来理解。

个人感想

这个月过的意外的充实,从各个方面:生活、工作、个人发展上来讲都是一段难忘的经历。参加此次训练营活动,主要的目的是看好Rust这门语言,想要进一步练习、掌握,以及对操作系统的强烈兴趣,想要深入学习各中意义上的操作系统。

虽然第二阶段的内容完成度不高,但就Rust和操作系统上的收获还是巨大的,另外,利用碎片时间将《Rust 实战》一书阅读了70%左右,rCore Tutorial 文档前4章结合代码重新温习了一遍,还冲了一块 VisionFive 星光2代板。可以说对 Rust、RISCV、OS,始终保持高度热情,活动虽然结束,但学习的节奏不停!