初学FreeRTOS

（1）使用ZC706开发板测试PS端网口（Echo，lwIP协议栈）；

（2）配合操作PL端LED（直接驱动和使用消息队列两种方式）；

（3）PS端串口UART打印调试信息；

（4）QSPI固化（Dual Quad SPI Parallel 8 bit模式）。

ZC706中，MAC 控制器与 PHY 通过 RGMII（Reduced Gigabit Media Independent Interface）接口进行连接，实现千兆网。

一、工程概述

1. 开发板配置

使用Xilinx ZYNQ开发板ZC706，默认配置ARM后即可使用PS端网口、串口和QSPI，放置AXI GPIO的IP核驱动PL端的4个LED。

ARM端配置如下图所示，以5处的ARM-A9为核心，使用1处的UART1打印调试信息，使用2处的网口0进行以太网通信，使用3处的AXI GP（General Port）Master通用主设备接口连接PL端的AXI GPIO，最后使用4处的QSPI固化程序，烧录Boot文件。

2. SDK程序

上述工程综合、布局布线并生成bit流后，导出硬件。

新建应用工程Application Project，选择 OS Platform 平台为 freertos10_xilinx （Vivado及SDK版本2018.2，低版本的可能是freertos9_xilinx），选择Next，选中“ FreeRTOS lwIP Echo Server ”。

新建完成后，即可进行最基础的网络通信了。这里注意，默认设置的是DCHP动态主机配置协议，需要开发板和电脑都连接到一个路由器上。如果直接使用网线连接开发板和电脑，则启用 IPv4 协议，默认配置的IP地址为192.168.1.10，子网掩码255.255.255.0，网关196.128.1.1，如果想要更改默认配置，可以在main.c文件的main_thread()主线程中修改，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 是一个小型开源的 TCP/IP 协议栈,支持IPv4、IPv6、TCP、UDP、DHCP等。

•IGMP 协议，用于网络组管理，可以实现多播数据的接收

•Internet 协议（IP），包括 IPv4 和 IPv6，支持 IP 分片与重装，包括通过多个网络接口的数据包转发

•用于网络维护和调试的 Internet 控制消息协议（ICMP）

•用户数据报协议（UDP）

•传输控制协议（TCP）拥塞控制，往返时间（RTT）估计，快速恢复和重传

•DNS，域名解析

•SNMP，简单网络管理协议

•动态主机配置协议（DHCP）

•以太网地址解析协议（ARP）

•AUTOIP，IP 地址自动配置

•PPP，点对点协议，支持

3. 网络设置

使用网线直接连接ZC706开发板和计算机网口，配置计算机IP地址为192.168.1.11，子网掩码255.255.255.0，网关192.168.1.1，其中IP地址的最后一处可以更改为其他值，但是不能和开发板的相同。

4. 开启监听测试

使用SecureCRT软件监听，除此之外，使用其他网口助手也可以。

二、工程测试

1. 测试Echo官方例程

先打开串口，波特率115200，下载官方例程到ZC706开发板，连接SecureCRT_CN，初始化工程中串口打印信息如下：配置DCHP动态主机协议超时，自动转为IPv4，将板子的IP地址配置为192.168.1.10，子网掩码255.255.255.0，网关192.168.1.1，使用端口7。

在SecureCRT_CN界面输入字符或字符串，回车，通过网口向开发板发送数据，开发板会返回同样的数据，测试正确。

2. 分析源码

2.1 main函数

打开main.c文件，找到main()函数。在main函数中创建了一个线程，传入的参数依次为 线程名（调试用）、函数指针、函数需要的参数、需要的堆栈大小、优先级 。

按照如下配置，调用了main_thread函数，不需要传参（用0或NULL），堆栈大小由#define定义为1024，优先级为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函数

此函数中实现的功能如下：

（1）初始化lwip协议栈；lwip_init();

（2）调用network_thread()创建线程；

（3）调用echo_application_thread()创建线程；

每500ms检测一次DHCP是否成功，若成功则创建echo应用线程，如果10秒还没有成功，则启用IPv4，配置IP地址、子网掩码和网关后，创建echo应用程序；创建成功后退出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函数

位置：echo.c文件。

（1）创建socket，绑定端口，监听；

（2）调用process_echo_request函数创建线程；

此函数需要传入参数。

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函数

位置：echo.c文件， 用户需要注意的最重要的函数，发送和接收的移植全部在这个函数 。

（1）接收数据，最大数据长度2048，char 类型，存储在recv_buff 数组中，若接收出错，打印错误信息并退出while；

（2）若接收到的数据的前4个字符为quit，则退出while；

（3）将接收到的数据发送出去；

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. 测试网口发送数据

由2.4可知，在process_echo_request函数中更改发送即可。新增一个字符数组：

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

在发送完接收到的数据后，新增一个发送函数，即可发送tx_buf数组，长度为16：

write(sd, tx_buf, 16);

4. 测试网口接收数据并控制LED

在向开发板发送数据时，规定一组特殊数据，如“led0”、“led5”、“led8”等，前3个字符“led”用于指示这部分数据是用于控制LED的，第4个字符表示点亮组合，四个LED使用二进制编码数据为0~15， 注意，这里发送的是ASCII字符，在控制LED时需处理成数字（减 ’0’） 。

接收到数据后，仿照函数中对quit字符串的处理方式，新增一个处理，将接收到的字符串与字符串“led”比较，如果收到的字符串的前3个字符是“led”，则使用第4个字符控制LED的亮灭。

strncmp 函数， 字符串比较函数，字符串大小的比较以ASCII 码表上的顺序来决定。函数声明为 int strncmp ( const char * str1, const char * str2, size_t n ) ，把 str1 和 str2 进行比较，最多比较前 n 个字节，若str1与str2的前n个字符相同，则返回0；若s1大于s2，则返回大于0的值；若s1 小于s2，则返回小于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. 测试LED任务及消息队列

**5.1 **包含头文件，声明队列

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

**5.2 **在main函数中创建消息队列

传入两个参数，分别为队列长度和队列中每个元素的长度，xQueueCreate(1,1) 表示队列长度为1，队列中的每个元素时一个char类型数据，xQueueCreate(2,15) 表示队列长度为2，每个元素都是一个char[15]类型的字符数组。

xQueue = xQueueCreate(1,1);  
/* Check the queue was created. 检查队列是否创建成功*/  
configASSERT( xQueue );

**5.3 **在main函数中创建LED任务，接收队列消息

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

其中，调用的prvPlLedTask定义如下，每次从队列中读取一个char类型的数据，若队列为空则等待，若队列不为空则读出后控制LED，注意这里的rece_led_value一定要加取地址符号&，表示传入指针，否则出错。

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 );  /* 延时 */  


    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中添加发送队列消息

若满足条件，则将对LED的控制信息写入队列，注意要加取地址符号&。

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镜像文件

生成工程后，右键“Create Boot Image”,依次添加FSBL工程的elf（默认已添加）、工程的bit文件（默认已添加）、需固化的程序elf（Add找到路径添加），“Create Image”。

3. 烧录QSPI Flash

选择Image和FSBL的路径，对Flash， 一定选择“qspi_dual_parallel” ， 若选择“qspi_single”也能下载成功，但是无法加载，ZC706板载指示灯亮红灯 。

4. 配置启动模式