[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK高级篇连载-22FreeRTOS 实时操作系统方案

​ 软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述

FreeRTOS 是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、 信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。 由于 RTOS 需占用一定的系统资源(尤其是 RAM 资源)，只有 μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS 等少数实时 操作系统能在小 RAM 单片机上运行。相对 μC/OS-II、embOS 等商业操作系统，FreeRTOS 操作系统是完全免费的 操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点。

2搭建SOC系统工程

详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的，请学习“3-1-01米联客2024版ZynqSocSDK入门篇”中第一个工程 “01Vitis Soc开发入门”这个实验。

2.1系统框图
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2.2编译并导出平台文件

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:生成Bit文件。

4:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

5:导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。

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3搭建Vitis-sdk工程

创建soc_base sdk platform和APP工程。

3.1创建SDK Platform工程

LWIP 库的修改：

1 ：新版本系列工业级开发板板载网口芯片是RTL8211FDI，由于默认的驱动不支持,需要手动自己修改库文件。我 们这里已经提供了修改好的库，解压到vivado的安装路径下的对应路径下：

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修改好后，需要关闭vitis-sdk然后重新打开sdk，否则无法识别修改的库(如果没打开SDK就可以直接打开SDK)

2:创建soc_base

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3：为了创建lwip工程需要先对soc_base中的board support package简称bsp设置lwip库的支持

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4：对lwip库参数修改以达到最佳性能。

和 SDK 纯裸机不一样，这里本例程使用 SOCKET API，即函数调用依赖操作系统。将 use_axieth_on_zynq 和 use_emaclite_on_zynq 设为 0。如下图所示。

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修改 lwip_memory_options 设置，将 mem_size ，memp  n  pbuf，mem  n  tcp_pcb ，memp  n  tcp_seg 这 4 个参数 值设大，这样会提高 TCP 传输效率。如下图所示。

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修改 pbuf_options 设置，将 pbuf_pool_size 设大，增加可用的 pbuf 数量，这样同样会提高 TCP 传输效率。如下 图所示。

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修改 tcp_options 设置，将 tcp_snd_buf，tcp_wnd 参数设大，这样同样会提高 TCP 传输效率。如下图所示。

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修改 temac_adapter_options 设置，将 n_rx_descriptors 和 n_tx_descriptors 参数设大。这样可以提高zynq  内部emacdma 的数据迁移效率，同样能提高 TCP 传输效率。如下图所示。

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编译

4 free_RTOS Hello_World APP
4.1 创建 free_RTOS Hello_World APP 工程
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4.2程序分析
1: 计算时间参数

x10seconds=pdMS_TO_TICKS( DELAY_10_SECONDS )函数

函数原型如下：

#define pdMS_TO_TICKS( xTimeInMs ) ( ( TickType_t ) ( ( ( TickType_t ) ( xTimeInMs ) * ( TickType_t ) configTICK_RATE_HZ ) / ( TickType_t ) 1000 ) )

其中configTICK_RATE_HZ参数，以毫秒为单位，计算10秒需要的值。configTICK_RATE_HZ参数是freeRTOS的时钟Tick的频率，也就是FreeRTOS用到的定时中断的产生频率。这个频率越高则定时的精度越高，但是由此带来的开销也越大。FreeRTOS 自带的Demo 程序中将TickRate 设为了1000Hz只是用来测试内核的性能的。实际的应用程序应该根据需要改为较小的数值。

当多个任务共用一个优先级时，内核调度器回来每次时钟中断到来后轮转切换任务，因此，更高的Tick Rate 会导致任务的时间片变短。

2:任务调度函数

以下2个函数创建两个任务。 Tx任务的优先级比Rx任务低，因此，一旦Tx任务将项目放入队列，Rx任务将退出Blocked状态并抢占Tx任务。

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3:创建消息队列

xQueue = xQueueCreate( 1, sizeof( HWstring ) )

创建任务使用的队列。 Rx任务的优先级高于Tx任务，因此将抢占Tx任务并在Tx任务写入队列后立即从队列中删除值-因此，队列中不能包含多个项目。

通过函数configASSERT( xQueue )确认队列创建成功

4:创建10s中断定时器

创建一个计时器，该计时器的到期时间为10秒。 计时器将在10秒后到期，并且将调用计时器回调。 在计时器回调中，将进行检查以确保在此之前任务一直正常运行。在计时器回调中将删除任务，并打印一条消息以表明示例已成功运行。 计时器到期时间设置为10秒，计时器设置为不自动重载。

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5:启动定时器和任务
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6:发送任务

当CPU调度发送任务，首先延迟1秒，然后在执行发送队列，将之前定义的xQueue队列消息发送出去，这里阻塞延迟设置0，代表以最快的速度发送。发送的参数为HWstring[15] = "Hello World"

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7:接收任务

当CPU调度接收任务，接收任务中等待消息队列的到达，并且把接收的数据保存到Recdstring变量中。

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8:定时器中断回调

前面定义了10s的定时器中断回调函数，当定时时间到达后产生中断。在定时器回调函数中，判断10s内是否完成了至少9次收发任务。并以此判断本文的实验是否成功。

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4.3HelloWorld 方案演示

硬件接线如下：

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5 free_RTOS TCP_Echo_Server APP 工程
5.1 创建 free_RTOS TCP_Echo_Server APP 工程

创建过程和 HelloWorld 方式一样, 只有一下界面中选择 FreeRTOS lwip Echo Server

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5.2 free_RTOS TCP_Echo_Server 方案演示

硬件接线如下：

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6free_RTOS TCP_Perf_Client APP 工程
6.1 创建 free_RTOS TCP_Perf_Client APP 工程

创建过程和 HelloWorld 方式一样, 只有一下界面中选择 FreeRTOS lwip TCP Perf Client

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6.2 free_RTOS TCP_Perf_Client 方案演示

硬件接线如下：

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先设置好网络调试助手

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7 free_RTOS _UDP_Client APP 工程
7.1 创建 free_RTOS UDP_Perf_Client APP 工程

创建过程和 HelloWorld 方式一样, 只有以下界面中选择 FreeRTOS lwip UDP Perf Client

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7.2 free_RTOS UDP_Perf_Client 方案演示

硬件接线如下：

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