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FreeRTOSで遊ぼう その1 - FreeRTOS入門

目次: FreeRTOS

以前RTOS界の新星Zephyrを調べて、新たなRISC-Vボードの定義を作りました。今回はRTOSの老舗FreeRTOSを調べます。FreeRTOSはGPLv2で開発されていましたが、Amazonが買収した後はMITライセンスになっています。IoT分野での企業ユーザー（大抵コード公開を嫌がる）を重視したんでしょう。

$ git clone https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS freertos

Cloning into 'freertos'...
remote: Enumerating objects: 149823, done.
Receiving objects:   0% (1/149823)
remote: Total 149823 (delta 0), reused 0 (delta 0), pack-reused 149823
Receiving objects: 100% (149823/149823), 115.38 MiB | 8.29 MiB/s, done.
Resolving deltas: 100% (107018/107018), done.
Updating files: 100% (12962/12962), done.

$ git submodule update --init --recursive

FreeRTOSのカーネルはFreeRTOS/Sourceに配置されており、リポジトリはhttps://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS-Kernelです。

FreeRTOS上で動く何かを作成する場合はfreertos/FreeRTOS/Demoの下に作るルールになっているようです。たくさんのアーキテクチャ、ボード向けのコードが格納されています。統一感がなくて、どれを見たら良いのか良くわからないのが難点です。

ツールチェーンの準備

RISC-V 32ビット用でしたら、以前Zephyr用に作成したツールチェーン（2020年1月31日の日記参照）が流用できます。ARMやそれ以外の環境でもCrosstool-NGを使えばたいてい作成できるはずです。

既存のデモを作り変える

Demoディレクトリの下にはRISC-V QEMU向けのプロジェクト（正確にはSiFive HiFive1エミュレーション環境向け）が既に1つあります。FreeRTOS/Demo/RISC-V-Qemu-sifive_e-Eclipse-GCCです。このデモはEclipse向けになっているので、Makefile向けに作り直します。Eclipse関連のファイルを削除してMakefileを作成するだけです。

CROSS=riscv64-unknown-elf-
CC=$(CROSS)gcc
OBJCOPY=$(CROSS)objcopy
ARCH=$(CROSS)ar

RTOS_SOURCE_DIR=../../Source
DEMO_SOURCE_DIR=../Common/Minimal
LIBWRAP_SOURCE_DIR=./freedom-e-sdk/libwrap

CPPFLAGS = -g -O2 -Wall -march=rv32ima -mabi=ilp32 -mcmodel=medlow \
	-fmessage-length=0 \
	-ffunction-sections \
	-fdata-sections \
	-fno-builtin-printf \
	-DportasmHANDLE_INTERRUPT=handle_trap \
	-I . -I ../Common/include \
	-I $(RTOS_SOURCE_DIR)/include \
	-I $(RTOS_SOURCE_DIR)/portable/GCC/RISC-V \
	-I $(RTOS_SOURCE_DIR)/portable/GCC/RISC-V/chip_specific_extensions/RV32I_CLINT_no_extensions \
	\
	-I freedom-e-sdk/include \
	-I freedom-e-sdk/env \
	-I freedom-e-sdk/env/freedom-e300-hifive1

CFLAGS =
ASFLAGS =
LDFLAGS = \
	-march=rv32ima -mabi=ilp32 -mcmodel=medlow \
	-Tfreedom-e-sdk/env/freedom-e300-hifive1/flash.lds \
	-Xlinker --gc-sections \
	-Xlinker --defsym=__stack_size=300

SRCS = \
	main.c \
	blinky_demo/main_blinky.c \
	$(DEMO_SOURCE_DIR)/EventGroupsDemo.c \
	$(DEMO_SOURCE_DIR)/TaskNotify.c \
	$(DEMO_SOURCE_DIR)/TimerDemo.c \
	$(DEMO_SOURCE_DIR)/blocktim.c \
	$(DEMO_SOURCE_DIR)/dynamic.c \
	$(DEMO_SOURCE_DIR)/recmutex.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/event_groups.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/list.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/queue.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/stream_buffer.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/tasks.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/timers.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/portable/MemMang/heap_4.c \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/portable/GCC/RISC-V/port.c

ASMS = \
	$(RTOS_SOURCE_DIR)/portable/GCC/RISC-V/portASM.S \
	\
	freedom-e-sdk/env/start.S \
	freedom-e-sdk/env/entry.S

OBJS = $(SRCS:.c=.o) $(ASMS:.S=.o)

a.out: $(OBJS) $(CRT0) Makefile
	$(CC) $(CFLAGS) $(LDFLAGS) $(OBJS) -nostartfiles $(CRT0) $(LINKER_FLAGS) -o $@

clean:
	rm -rf $(OBJS)

元のコードでは --defsym=__stack_size=350なんですが、そのまま使うとなぜか下記のリンクエラーが出るので、少しだけ減らしています。

x-tools/riscv64-unknown-elf/lib/gcc/riscv64-unknown-elf/10.2.0/../../../../riscv64-unknown-elf/bin/ld: section .stack VMA [0000000080003e00,0000000080003fff] overlaps section .bss VMA [0000000080000440,0000000080003ebb]
collect2: error: ld returned 1 exit status
make: *** [Makefile:105: rtosdemo.elf] Error 1

リンカースクリプトを見る限りHiFive1はRAMが16KBしかないようで、あまり大きな領域を取ろうとするとすぐに溢れてしまいます。

// freertos/FreeRTOS/Demo/RISC-V-Qemu-virt_GCC/freedom-e-sdk/env/freedom-e300-hifive1/flash.lds

MEMORY
{
  flash (rxai!w) : ORIGIN = 0x20400000, LENGTH = 512M
  ram (wxa!ri) : ORIGIN = 0x80000000, LENGTH = 16K
}

Makefileを作ったらmakeし、動作確認します。

$ qemu-system-riscv32 -nographic -machine sifive_e -net none -chardev stdio,id=con,mux=on -serial chardev:con -mon chardev=con,mode=readline -bios none -kernel a.out

StartingBlink
Blink
Blink
Blink
Blink
...

動作しました。QEMUを止めるまでBlinkという文字が延々と出続けます。最初のStartingに改行が入っていないのは元々です。理由は良くわかりません、作った人がミスっただけかな？