RISC-V处理器上的RT-Thread Nano RTOS入门指南

CNXSoft：这是RT-Thread（即开源物联网操作系统）的特邀帖子，以GD32V RISC-V MCU开发板作为示例，解释了如何在其实时操作系统上创建你的第一个运行程序。

本文介绍了如何将RT-Thread Nano移植到RISC-V架构，使用Eclipse IDE、GCC工具链和Gigadevice GD32V103 MCU构成一个基本项目。

前言

RT-Thread是一个开源的嵌入式实时操作系统，它具有标准版本和Nano版本。标准版本包括内核层、组件和服务层以及IoT框架层，而Nano版本则具有非常小的占用空间和完善的硬实时内核，更适合于资源受限的MCU（微处理器单元）。

移植Nano的主要步骤如下：

准备一个基本的Eclipse项目并获取RT-Thread Nano源代码。
将RT-Thread Nano源代码添加到基础项目中，并添加相应的标头路径。
修改Nano，主要用于中断时钟、内存和应用程序，以实现移植。
最后，为你的应用程序配置Nano OS。Nano是可定制的，可以通过h文件针对系统进行定制。

准备工作

下载RT-Thread Nano源代码：

git clone https://github.com/RT-Thread/rtthread-nano

1	git clone https://github.com/RT-Thread/rtthread-nano

在Eclipse中创建一个基本的裸机项目，例如一个闪烁的LED示例代码。

准备一个基础项目

在我们移植RT-Thread Nano之前，我们需要创建一个可工作的裸机项目。作为示例，本文使用基于GD32V103的闪烁LED程序。该程序的主要例程如下：

int main(void)
{
    gd_eval_led_init(LED1);
 
    while (1)
    {
        gd_eval_led_on(LED1);
        delay_1ms(1000);
        gd_eval_led_off(LED1);
        delay_1ms(1000);
    }
}

int main(void)

{

gd_eval_led_init(LED1);

while (1)

{

gd_eval_led_on(LED1);

delay_1ms(1000);

gd_eval_led_off(LED1);

delay_1ms(1000);

}

在我们的程序中，主要完成了系统初始化和LED闪烁功能。在编译下载程序后，可以看到开发板上的LED闪烁。你可以使用所需的芯片来完成类似的裸机项目。

将RT-Thread Nano添加到项目

添加Nano源文件

在Eclipse项目下创建一个新的rtthread文件夹，并将以下文件夹和文件添加到该文件夹中：

Nano源代码中的include、libcpu和src文件夹。请注意，libcpu仅保留与芯片架构相关的文件，例如示例中使用的bumblebee和common。
rtthread-nano / bsp中的配置文件：c和rtconfig.h。

重新打开Eclipse工作区，导入项目，并将rtthread文件夹加载到项目中：

RISC-V芯片内核代码：context_gcc.s和cpuport.c

内核文件包括：clock.c，components.c，device.c，idle.c，ipc.c，irq.c，kservice.c，mem.c，object.c，scheduler.c，thread.c，time.c

开发板配置代码和配置文件：board.c、rtconfig.h

添加头文件路径

右键单击项目，点击属性进入如下图所示界面，点击C / C ++ Build-> Settings，分别添加汇编程序和C头路径：将路径添加到rtconfig.h头文件的位置，将头文件路径添加到include文件夹下。然后点击C / C ++ General->路径和符号，添加相应的头文件，最后点击Apply按钮。

安装RT-Thread Nano

修改start.S

修改启动文件，使用启动函数rt_thread_startup()调用entry()函数从而实现引导RT-Thread的代码。启动文件start.S需要修改，以便在启动时跳转到entry()函数执行，而不是跳转到main()，从而启动RT-Thread。

/* How RT-Thread starts under GCC*/
int entry(void){
    rtthread_startup();
    return 0;
}

/* How RT-Thread starts under GCC*/

int entry(void){

rtthread_startup();

return 0;

}

中断和异常处理

在系统没有实现此功能时RT-Thread提供了一个中断管理接口，该物理中断与用户的中断服务程序相关联。中断管理接口用于管理中断，以便在发生中断时可以触发相应的中断并执行中断服务程序。

该例程中的GD32VF103芯片在启动文件中提供了一个中断向量，用户可以使用中断向量提供的功能直接能实现相应的IRQ（中断请求）。触发中断时，处理器直接确定触发了哪个中断源，然后直接跳转到适当的固定位置进行处理，从而就无需自己再实施中断管理。

系统时钟配置

系统时钟配置（为MCU内核和外围设备提供工作时钟）和OS Tick配置（操作系统的心跳）在board.c文件中。

配置示例如下图所示，riscv_clock_init()配置系统时钟，和ostick_config()系统滴答。

riscv_clock_init() 配置系统时钟，如下所示：

void riscv_clock_init(void)
{
    SystemInit();
 
    /* ECLIC init */
    eclic_init(ECLIC_NUM_INTERRUPTS);
    eclic_mode_enable();
    set_csr(mstatus, MSTATUS_MIE);
}

void riscv_clock_init(void)

{

SystemInit();

/* ECLIC init */

eclic_init(ECLIC_NUM_INTERRUPTS);

eclic_mode_enable();

set_csr(mstatus, MSTATUS_MIE);

}

OS Tick是使用硬件计时器实现的，需要用户在board.c中实现硬件计时器的中断服务例程eclic_mtip_handler()，并调用RT-Thread rt_tick_increase()。

/* This is the timer interrupt service routine. */
void eclic_mtip_handler(void)
{
    /* clear value */
    *(rt_uint64_t *)(TMR_CTRL_ADDR + TMR_MTIME) = 0;
 
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();
    /* tick increase */
    rt_tick_increase();
 
    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();
}

/* This is the timer interrupt service routine. */

void eclic_mtip_handler(void)

{

/* clear value */

*(rt_uint64_t *)(TMR_CTRL_ADDR + TMR_MTIME) = 0;

/* enter interrupt */

rt_interrupt_enter();

/* tick increase */

rt_tick_increase();

/* leave interrupt */

rt_interrupt_leave();

}

由于eclic_mtip_handler()中断服务例程是由用户在board.c中重新实现的，并调用一个OS/系统tick，所以需要删除预定义的eclic_mtip_handler，以避免在编译时重复定义。如果项目成功编译且没有错误，则不需要进一步的修改。

内存堆初始化

系统内存堆的初始化是在board.c中的rt_hw_board_init() 函数中完成的。是否使用内存堆功能取决于宏RT_USING_HEAP是否开启了，并且在默认情况下RT-Thread Nano不启用内存堆功能。这样可以保持较小的尺寸，而不会为内存堆打开空间。

启用系统堆时允许你使用动态内存功能，例如使用rt_malloc、rt_free和各种其他函数的API来动态创建对象。如果你需要使用系统内存堆功能，你可以打开RT_USING_HEAP的宏定义，其中内存堆初始化函数rt_system_heap_init()将被调用，如下所示：

初始化内存堆需要堆的开始和结束地址。数组的大小可以手动更改，如下所示：

#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
#define RT_HEAP_SIZE 1024
static uint32_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE];  // heap default size: 4K(1024 * 4)
RT_WEAK void *rt_heap_begin_get(void)
{
    return rt_heap;
}
 
RT_WEAK void *rt_heap_end_get(void)
{
    return rt_heap + RT_HEAP_SIZE;
}
#endif

#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)

#define RT_HEAP_SIZE 1024

static uint32_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE]; // heap default size: 4K(1024 * 4)

RT_WEAK void *rt_heap_begin_get(void)

{

return rt_heap;

}

RT_WEAK void *rt_heap_end_get(void)

{

return rt_heap + RT_HEAP_SIZE;

}

#endif

注意：打开堆动态内存功能时，堆默认值是很小的。使用时需要更改，否则可能会出现请求内存或创建线程失败的情况，修改方法如下：

你可以直接修改阵列中定义的RT_HEAP_SIZE大小，至少要超过每个动态请求的内存大小总和，但要小于总的芯片RAM的大小。

编写您的第一个应用程序

将RT-Thread Nano移植到RISC-V之后，你就可以开始编写第一个应用程序代码了。此时，main()函数已转换为RT-Thread操作系统中的线程了。并且经过一些修改后，板载闪烁的LED示例可以在RISC-V系统上运行：

首先，在文件顶部添加RT-Thread的相关头文件<rtthread.h>
在main()函数中（即在主线程中）实现闪烁LED代码，从而来初始化LED引脚并在一个钟循环打开/关闭LED。
将延迟函数替换为RT-Thread提供的延迟函数：rt_thread_mdelay()。此功能使系统安排并切换到另一个线程上来运行。

#include <rtthread.h>
 
int main(void)
{
    gd_eval_led_init(LED1);
 
    while (1)
    {
        gd_eval_led_on(LED1);
        rt_thread_mdelay(500);
        gd_eval_led_off(LED1);
        rt_thread_mdelay(500);
    }
}

#include <rtthread.h>

int main(void)

{

gd_eval_led_init(LED1);

while (1)

{

gd_eval_led_on(LED1);

rt_thread_mdelay(500);

gd_eval_led_off(LED1);

rt_thread_mdelay(500);

}

将编译后的代码下载到芯片后，你应该会看到基于RT-Thread的程序正在运行，并且LED再闪烁。注意：添加RT-Thread后，裸机中的main()函数将自动成为RT-Thread系统中主线程的入口函数。因为线程不应该总是独占着CPU，所以在main()中使用while（1）时，应在代码中添加 rt_thread_mdelay()函数，以便为其他线程腾出CPU时间。

与裸机闪烁LED示例代码的区别

延迟功能不同。RT-Thread提供了用于调度和延迟的rt_thread_mdelay()函数。在给定线程中调用该函数时，调度程序将切换到另一个线程。相反，裸机的延迟功能一直在CPU上运行。
系统时钟的初始化是不同的。将RT-Thread Nano移植到你的目标上（在我们的示例中为RISC-V）后，由于RT-Thread已经准备就绪，因此无需在main()中配置系统（例如HAL初始化、时钟初始化等）。在系统启动时配置系统时钟。上部分已经对“系统时钟配置”进行了说明。

配置RT-Thread Nano

你可以根据需要，配置相应的功能。如下所示打开或关闭rtconfig.h文件中的宏定义：

...
 
// <h>IPC(Inter-process communication) Configuration
// <c1>Using Semaphore
//  <i>Using Semaphore
#define RT_USING_SEMAPHORE
// </c>
// <c1>Using Mutex
//  <i>Using Mutex
//#define RT_USING_MUTEX                 // Opening this macro enables the use of Mutex
// </c>
// <c1>Using Event
//  <i>Using Event
//#define RT_USING_EVENT                 // Opening this macro enables the use of Event set
// </c>
// <c1>Using MailBox
//  <i>Using MailBox
//#define RT_USING_MAILBOX              //Opening this macro enables the use of Mailbox
// </c>
// <c1>Using Message Queue
//  <i>Using Message Queue
//#define RT_USING_MESSAGEQUEUE          //  Opening this macro enables the use of Message Queue
// </c>
// </h>
 
// <h>Memory Management Configuration
// <c1>Using Memory Pool Management
//  <i>Using Memory Pool Management
//#define RT_USING_MEMPOOL              //  Opening this macro enables the use of Memory Pool
 
...

...

// <h>IPC(Inter-process communication) Configuration

// <c1>Using Semaphore

// Using Semaphore

#define RT_USING_SEMAPHORE

// </c>

// <c1>Using Mutex

// Using Mutex

//#define RT_USING_MUTEX // Opening this macro enables the use of Mutex

// </c>

// <c1>Using Event

// Using Event

//#define RT_USING_EVENT // Opening this macro enables the use of Event set

// </c>

// <c1>Using MailBox

// Using MailBox

//#define RT_USING_MAILBOX //Opening this macro enables the use of Mailbox

// </c>

// <c1>Using Message Queue

// Using Message Queue

//#define RT_USING_MESSAGEQUEUE // Opening this macro enables the use of Message Queue

// </c>

// </h>

// <h>Memory Management Configuration

// <c1>Using Memory Pool Management

// Using Memory Pool Management

//#define RT_USING_MEMPOOL // Opening this macro enables the use of Memory Pool

...

默认情况下，RT-Thread Nano不启用宏RT_USING_HEAP，因此仅支持静态创建任务和信号量。要动态创建对象，你则需要打开rtconfig.h文件中的RT_USING_HEAP宏定义。

Jacob Li 李顺

文章翻译者：Jacob，嵌入式系统测试工程师、RAK高级工程师，物联网行业多年工作经验，熟悉嵌入式开发、测试各个环节，对不同产品有自己专业的分析与评估。

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