初學FreeRTOS

（1）使用ZC706開發板測試PS端網口（Echo，lwIP協議棧）；

（2）配合操作PL端LED（直接驅動和使用消息隊列兩種方式）；

（3）PS端串口UART打印調試信息；

（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）接口進行連接，實現千兆網。

一、工程概述

1. 開發板配置

使用Xilinx ZYNQ開發板ZC706，默認配置ARM后即可使用PS端網口、串口和QSPI，放置AXI GPIO的IP核驅動PL端的4個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打印調試信息，使用2處的網口0進行以太網通信，使用3處的AXI GP（General Port）Master通用主設備接口連接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，導出硬件。

新建應用工程Application Project，選擇 OS Platform 平臺為 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，即可進行最基礎的網絡通信了。這里注意，默認設置的是DCHP動態主機配置協議，需要開發板和電腦都連接到一個路由器上。如果直接使用網線連接開發板和電腦，則啟用 IPv4 協議，默認配置的IP地址為192.168.1.10，子網掩碼255.255.255.0，網關196.128.1.1，如果想要更改默認配置，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 是一個小型開源的 TCP/IP 協議棧,支持IPv4、IPv6、TCP、UDP、DHCP等。

?IGMP 協議，用于網絡組管理，可以實現多播數據的接收

?Internet 協議（IP），包括 IPv4 和 IPv6，支持 IP 分片與重裝，包括通過多個網絡接口的數據包轉發

?用于網絡維護和調試的 Internet 控制消息協議（ICMP）

?用戶數據報協議（UDP）

?傳輸控制協議（TCP）擁塞控制，往返時間（RTT）估計，快速恢復和重傳

?DNS，域名解析

?SNMP，簡單網絡管理協議

?動態主機配置協議（DHCP）

?以太網地址解析協議（ARP）

?AUTOIP，IP 地址自動配置

?PPP，點對點協議，支持

3. 網絡設置

使用網線直接連接ZC706開發板和計算機網口，配置計算機IP地址為192.168.1.11，子網掩碼255.255.255.0，網關192.168.1.1，其中IP地址的最后一處可以更改為其他值，但是不能和開發板的相同。

4. 開啟監聽測試

使用SecureCRT軟件監聽，除此之外，使用其他網口助手也可以。

二、工程測試

1. 測試Echo官方例程

先打開串口，波特率115200，下載官方例程到ZC706開發板，連接SecureCRT_CN，初始化工程中串口打印信息如下：配置DCHP動態主機協議超時，自動轉為IPv4，將板子的IP地址配置為192.168.1.10，子網掩碼255.255.255.0，網關192.168.1.1，使用端口7。

在SecureCRT_CN界面輸入字符或字符串，回車，通過網口向開發板發送數據，開發板會返回同樣的數據，測試正確。

2. 分析源碼

2.1 main函數

打開main.c文件，找到main()函數。在main函數中創建了一個線程，傳入的參數依次為 線程名（調試用）、函數指針、函數需要的參數、需要的堆棧大小、優先級 。

按照如下配置，調用了main_thread函數，不需要傳參（用0或NULL），堆棧大小由#define定義為1024，優先級為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

此函數中實現的功能如下：

（1）初始化lwip協議棧；lwip_init();

（2）調用network_thread()創建線程；

（3）調用echo_application_thread()創建線程；

每500ms檢測一次DHCP是否成功，若成功則創建echo應用線程，如果10秒還沒有成功，則啟用IPv4，配置IP地址、子網掩碼和網關后，創建echo應用程序；創建成功后退出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

位置：echo.c文件。

（1）創建socket，綁定端口，監聽；

（2）調用process_echo_request函數創建線程；

此函數需要傳入參數。

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

位置：echo.c文件， 用戶需要注意的最重要的函數，發送和接收的移植全部在這個函數 。

（1）接收數據，最大數據長度2048，char 類型，存儲在recv_buff 數組中，若接收出錯，打印錯誤信息并退出while；

（2）若接收到的數據的前4個字符為quit，則退出while；

（3）將接收到的數據發送出去；

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. 測試網口發送數據

由2.4可知，在process_echo_request函數中更改發送即可。新增一個字符數組：

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

在發送完接收到的數據后，新增一個發送函數，即可發送tx_buf數組，長度為16：

write(sd, tx_buf, 16);

4. 測試網口接收數據并控制LED

在向開發板發送數據時，規定一組特殊數據，如“led0”、“led5”、“led8”等，前3個字符“led”用于指示這部分數據是用于控制LED的，第4個字符表示點亮組合，四個LED使用二進制編碼數據為0~15， 注意，這里發送的是ASCII字符，在控制LED時需處理成數字（減 ’0’） 。

接收到數據后，仿照函數中對quit字符串的處理方式，新增一個處理，將接收到的字符串與字符串“led”比較，如果收到的字符串的前3個字符是“led”，則使用第4個字符控制LED的亮滅。

strncmp 函數， 字符串比較函數，字符串大小的比較以ASCII 碼表上的順序來決定。函數聲明為 int strncmp ( const char * str1, const char * str2, size_t n ) ，把 str1 和 str2 進行比較，最多比較前 n 個字節，若str1與str2的前n個字符相同，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. 測試LED任務及消息隊列

**5.1 **包含頭文件，聲明隊列

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

**5.2 **在main函數中創建消息隊列

傳入兩個參數，分別為隊列長度和隊列中每個元素的長度，xQueueCreate(1,1) 表示隊列長度為1，隊列中的每個元素時一個char類型數據，xQueueCreate(2,15) 表示隊列長度為2，每個元素都是一個char[15]類型的字符數組。

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

**5.3 **在main函數中創建LED任務，接收隊列消息

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

其中，調用的prvPlLedTask定義如下，每次從隊列中讀取一個char類型的數據，若隊列為空則等待，若隊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&，表示傳入指針，否則出錯。

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 */  


    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中添加發送隊列消息

若滿足條件，則將對LED的控制信息寫入隊列，注意要加取地址符號&。

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（默認已添加）、工程的bit文件（默認已添加）、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. 配置啟動模式