【freeRTOS开发笔记】记一次坑爹的freeTOS升级
1 前言
笔者最近在做一个项目，简单来说就是操作系统的替换，但是由于我们整个项目是需要兼容多个芯片平台的，我们要做到工作就是将各大芯片原厂提供的SDK归整起来，统一开发。 虽然芯片原厂都是基于freeRTOS来提供SDK，但是毕竟是不同厂商来开发，自然他们基于的freeRTOS版本是不一样的。 这个问题就被我们遇上了，A厂商提供的稳定版本的SDK是基于freeRTOS-v9.0.0版本，而B厂商是freeRTOS-v10.4.4版本；面对这样的困境，经过我们内部讨论和评估，为了能最大程度兼容freeRTOS的新版本，我觉得采用10.4.4版本，这就意味着9.0.0版本的SDK就要升级了。
2 遇到的问题
2.1 版本差异
从时间跨度来说，这两个版本是差异比较大的：
29 May 2021 @github-actions github-actions V10.4.4 8de8a9d
V9.0.0 165c24c @RichardBarry RichardBarry tagged this 25 May 2016
这么多年了，自然迭代的功能就非常多，其中API的实现方法改变就是一个在移植升级过程中非常头疼的问题。
2.2 问题描述
本次遇到的主要问题是portENTER_CRITICAL和portEXIT_CRITICAL两个适配接口完全不太一样导致的，具体如下：
//v9.0.0版本中使用的宏定义的方式
#define GLOBAL_INT_DECLARATION() uint32_t fiq_tmp, irq_tmp
#define GLOBAL_INT_DISABLE() do{\
fiq_tmp = portDISABLE_FIQ();\
irq_tmp = portDISABLE_IRQ();\
}while(0)
#define GLOBAL_INT_RESTORE() do{ \
if(!fiq_tmp) \
{ \
portENABLE_FIQ(); \
} \
if(!irq_tmp) \
{ \
portENABLE_IRQ(); \
} \
}while(0)
#define portENTER_CRITICAL() do{ \
GLOBAL_INT_DECLARATION();\
GLOBAL_INT_DISABLE();
#define portEXIT_CRITICAL() \
GLOBAL_INT_RESTORE();\
}while(0)
//v10.4.4版本中采用的是函数定义的方式
/* Critical section handling. */
void vPortEnterCritical( void );
void vPortExitCritical( void );
#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()
#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()
看样子从功能上，好像是一样的，但是真正到了替换编译的时候就遇到问题了。 按照v9.0.0的定义方式，我kernel使用v9.0.0的代码编译自然没有问题，但是我一旦切换到v10.4.4的kernel代码，就报了下面的编译错误：
os/core/freertos-v10.4.4/queue.c: In function 'xQueueGenericSend':
core/freertos-v10.4.4/queue.c:938:13: error: 'else' without a previous 'if'
else
^
compilation terminated due to -Wfatal-errors.
core/freertos-v10.4.4/stream_buffer.c: In function 'xStreamBufferSend':
core/freertos-v10.4.4/stream_buffer.c:625:13: error: expected 'while' before 'do'
taskEXIT_CRITICAL();
^
compilation terminated due to -Wfatal-errors.
3 如何解决
3.1 问题分析
一看上面的两个问题，大概猜到了就是v9.0.0中使用的是do{}while(0)这种宏定义导致的。 找到v10.4.4的源码看下它是什么调用的，为了简洁且能说明问题，这里我删除了一些无相关的代码：
//queue.c中编译报错的函数
BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue,
const void * const pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait,
const BaseType_t xCopyPosition )
{
for( ; ; )
{
taskENTER_CRITICAL();
{
if( ( pxQueue->uxMessagesWaiting < pxQueue->uxLength ) || ( xCopyPosition == queueOVERWRITE ) )
{
taskEXIT_CRITICAL(); //这里报错
return pdPASS;
}
else
{
if( xTicksToWait == ( TickType_t ) 0 )
{
/* The queue was full and no block time is specified (or
* the block time has expired) so leave now. */
taskEXIT_CRITICAL();
}
else if( xEntryTimeSet == pdFALSE )
{
}
else
{
}
}
}
taskEXIT_CRITICAL();
}
}
queue.c里面的报错，这个是由于中间有个taskEXIT_CRITICAL调用，把do {} while(0)给打散了，导致下面的}else{就变成语法问题了，正如编译报错的那样。
再看下tasks.c的报错代码：
//tasks.c中的编译报错代码
size_t xStreamBufferSend( StreamBufferHandle_t xStreamBuffer,
const void * pvTxData,
size_t xDataLengthBytes,
TickType_t xTicksToWait )
{
if( xTicksToWait != ( TickType_t ) 0 )
{
do
{
/* Wait until the required number of bytes are free in the message
* buffer. */
taskENTER_CRITICAL();
{
xSpace = xStreamBufferSpacesAvailable( pxStreamBuffer );
if( xSpace < xRequiredSpace )
{
}
else
{
taskEXIT_CRITICAL();
break;
}
}
taskEXIT_CRITICAL(); //这里报错
}
else
{
}
与第一个编译报错类似，但是又不太一样，当然也都是do{}while(0)被打散引发的；这里的错误提示是：后一个while没有前面的do来匹配。
3.2 细看错误代码
既然那两个接口是宏定义，自然我就可以查看到宏定义展开后的样子，看下究竟是如何违背了语法规则？ 使用gcc编译器，我们只需要在CFLAGS加上-save-temps=obj选项，就可以同步输出预编译处理的文件，后缀名是.i。
//queue.i对应的代码片段
BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue,
const void * const pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait,
const BaseType_t xCopyPosition )
{
for( ; ; )
{
do{ uint32_t fiq_tmp, irq_tmp; do{ fiq_tmp = portDISABLE_FIQ(); irq_tmp = portDISABLE_IRQ(); }while(0);;
{
if( ( pxQueue->uxMessagesWaiting < pxQueue->uxLength ) || ( xCopyPosition == ( ( BaseType_t ) 2 ) ) )
{
do{ if(!fiq_tmp) { portENABLE_FIQ(); } if(!irq_tmp) { portENABLE_IRQ(); } }while(0); }while(0); //这里报错
return ( ( ( BaseType_t ) 1 ) );
}
else
{
}
}
do{ if(!fiq_tmp) { portENABLE_FIQ(); } if(!irq_tmp) { portENABLE_IRQ(); } }while(0); }while(0);
}
}
//tasks.i对应的代码片段
size_t xStreamBufferSend( StreamBufferHandle_t xStreamBuffer,
const void * pvTxData,
size_t xDataLengthBytes,
TickType_t xTicksToWait )
{
if( xTicksToWait != ( TickType_t ) 0 )
{
do
{
do{ uint32_t fiq_tmp, irq_tmp; do{ fiq_tmp = portDISABLE_FIQ(); irq_tmp = portDISABLE_IRQ(); }while(0);;
{
xSpace = xStreamBufferSpacesAvailable( pxStreamBuffer );
if( xSpace < xRequiredSpace )
{
}
else
{
do{ if(!fiq_tmp) { portENABLE_FIQ(); } if(!irq_tmp) { portENABLE_IRQ(); } }while(0); }while(0); //这里报错
break;
}
}
do{ if(!fiq_tmp) { portENABLE_FIQ(); } if(!irq_tmp) { portENABLE_IRQ(); } }while(0); }while(0);
;
} while( xTaskCheckForTimeOut( &xTimeOut, &xTicksToWait ) == ( ( BaseType_t ) 0 ) );
}
else
{
;
}
通过.i文件，基本一看就知道啥问题了。就是这个万恶的do{}while(0)被打散了，引发各种问题。
3.3 能不能把宏定义改为函数？
知道了上面的问题，归根结底就是宏定义的问题，那么我能不能把宏定义转换成函数呢？ 之前我有一篇文章讲过内联函数，即staticinline的用法，具体参见：【gcc编译优化系列】static与inline的区别与联系 参考这个方案，很快，我给出了一个staticinline的版本：
//portmacro.h中定义：
static inline void portENTER_CRITICAL(void)
{
GLOBAL_INT_DECLARATION();
GLOBAL_INT_DISABLE();
}
static inline void portEXIT_CRITICAL(void)
{
GLOBAL_INT_DECLARATION();
GLOBAL_INT_RESTORE();
}
static inline void portEXIT_CRITICAL_EARLY(void)
{
GLOBAL_INT_DECLARATION();
GLOBAL_INT_RESTORE();
}
这个portEXITCRITICALEARLY是因为v9.0.0的代码里面有，为了兼容v9.0.0的代码编译，我保留了下它。 同时这个GLOBAL_INT_DECLARATION这个我也改了一下，加上了extern：
#define GLOBAL_INT_DECLARATION() extern uint32_t fiq_tmp, irq_tmp //新的定义
//#define GLOBAL_INT_DECLARATION() uint32_t fiq_tmp, irq_tmp //旧的定义
#endif
同时由于这两个变量fiq_tmp,irq_tmp没法在两个函数中共享，所以得把它们定义成全局变量：
//必须在其中的一个.c文件中定义，因为定义只能由一个，而extern申明可以有多个。
uint32_t fiq_tmp, irq_tmp;
经过上面的宏定义转内联函数的定义，一编译，自然，那几个编译报错的语法问题都迎刃而解了。 但是当我烧录到板子上运行时，却遇到了问题，具体问题就是：系统会在不确认的时间内卡死，导致看门狗复位，这里面有可能是厂商的SDK封装的问题，但是找厂商去修改SDK是不可能的，毕竟是由我们单方面升级了freeRTOS了，别人跑得好好的，就你不行。
3.4 能不能有其他解决办法？
想到上一步，为何SDK会出问题，我想上面宏定义转内联函数只是表象，真正改动的是把中断标记的那两个变量全局化了；这样带来的问题就是全部线程都可以同时修改，这显然违背了之前的设计初衷，所以它们一定不能全局化。 那么还有什么方法仅能保证代码编译过去，又能保证这两个变量的访问逻辑呢？ 思思一想，还是得保留宏定义的写法，但是宏定义得改一改。 之前不是老是出现do{}while(0)被打散嘛，我们能不能把do-while(0)去掉，试试看：
#if 1 //新版本
#define portENTER_CRITICAL() GLOBAL_INT_DECLARATION();GLOBAL_INT_DISABLE()
#define portEXIT_CRITICAL() GLOBAL_INT_RESTORE()
#define portEXIT_CRITICAL_EARLY() GLOBAL_INT_RESTORE()
#else
#define portENTER_CRITICAL() do{ \
GLOBAL_INT_DECLARATION();\
GLOBAL_INT_DISABLE();
#define portEXIT_CRITICAL() \
GLOBAL_INT_RESTORE();\
}while(0)
#define portEXIT_CRITICAL_EARLY() GLOBAL_INT_RESTORE()
#endif
如此改动之后，编译一下，又发现了一个报错：
//报错
core/freertos-v10.4.4/queue.c: In function 'xQueueGenericSend':
core/freertos-v10.4.4/queue.c:984:18: error: redeclaration of 'fiq_tmp' with no linkage
prvLockQueue( pxQueue );
//对应代码
taskEXIT_CRITICAL();
/* Interrupts and other tasks can send to and receive from the queue
* now the critical section has been exited. */
vTaskSuspendAll();
prvLockQueue( pxQueue ); //这里报错
/* Update the timeout state to see if it has expired yet. */
if( xTaskCheckForTimeOut( &xTimeOut, &xTicksToWait ) == pdFALSE )
{
}
//对应宏展开的代码
for( ; ; )
{
uint32_t fiq_tmp, irq_tmp;do{ fiq_tmp = portDISABLE_FIQ(); irq_tmp = portDISABLE_IRQ(); }while(0);
do{ if(!fiq_tmp) { portENABLE_FIQ(); } if(!irq_tmp) { portENABLE_IRQ(); } }while(0);
vTaskSuspendAll();
uint32_t fiq_tmp, irq_tmp;do{ fiq_tmp = portDISABLE_FIQ(); irq_tmp = portDISABLE_IRQ(); }while(0); { if( ( pxQueue )->cRxLock == ( ( int8_t ) -1 ) ) { ( pxQueue )->cRxLock = ( ( int8_t ) 0 ); } if( ( pxQueue )->cTxLock == ( ( int8_t ) -1 ) ) { ( pxQueue )->cTxLock = ( ( int8_t ) 0 ); } } do{ if(!fiq_tmp) { portENABLE_FIQ(); } if(!irq_tmp) { portENABLE_IRQ(); } }while(0);
这里的主要问题就是，由于do{}while(0)去掉了，导致uint32_tfiq_tmp,irq_tmp在一个代码段范围内被重复定义了，所以语法上报错了。 为了解决这个问题，我们需要有个语法基础：在C里面，一个局部变量的作用域是在其包含的{}内，嵌套的{}可以有同名的变量名， 也就是说这样的代码时允许的：
{
int a = 1;
{
int a = 1;
{
int a = 1;
}
}
}
虽然写法上很丑陋，但是语法上是可行的。 根据这个理论，我们要改造下这个宏定义：
#if 1 //新代码
#define prvLockQueue0( pxQueue ) \
do { \
taskENTER_CRITICAL(); \
{ \
if( ( pxQueue )->cRxLock == queueUNLOCKED ) \
{ \
( pxQueue )->cRxLock = queueLOCKED_UNMODIFIED; \
} \
if( ( pxQueue )->cTxLock == queueUNLOCKED ) \
{ \
( pxQueue )->cTxLock = queueLOCKED_UNMODIFIED; \
} \
} \
taskEXIT_CRITICAL(); \
} while(0)
#else
#define prvLockQueue( pxQueue ) \
taskENTER_CRITICAL(); \
{ \
if( ( pxQueue )->cRxLock == queueUNLOCKED ) \
{ \
( pxQueue )->cRxLock = queueLOCKED_UNMODIFIED; \
} \
if( ( pxQueue )->cTxLock == queueUNLOCKED ) \
{ \
( pxQueue )->cTxLock = queueLOCKED_UNMODIFIED; \
} \
} \
taskEXIT_CRITICAL()
#endif
这样就可以完美解决了uint32_tfiq_tmp,irq_tmp重复定义的问题。 编译一下，下载跑了一下，发现工作正常，至此算是把这个升级工作完成了。
3.5 还有个问题
升级过程中，还有一个问题，不过倒是比较好解决。 就是v9.0.0版本有个API接口叫xTaskIsTaskFinished;而v10.4.4已经把这个函数删除了，而SDK又调用了这个API，所以只能重新实现下这个函数
/* If not found, implemente it ! */
__attribute__ ((weak)) portBASE_TYPE xTaskIsTaskFinished( xTaskHandle xTask )
{
LOG_HERE();
/* always return false ! */
return pdFALSE;
}
这里我加了weak声明，也就是说当内核有实现这个函数时，用内核的；反之，则使用这个实现；这样的好处就是，在v9.0.0上面是可以兼容编译的，不会报重复定义的问题。但是如果去掉weak声明，就会报错误。
4 经验总结
- freeRTOS的版本不能乱升级，尤其系统跨度比较大的版本之间，严重情况下可能系统都跑不起来
- do-while(0)似的宏定义不是万能的，有些场景下也是会出错的
- C语言下大括号内定义同名局部变量的问题的解决方法，值得借鉴
- 宏定义转内联函数，看似一个最佳实践，实则还是需要具体问题具体分析，否则会引入不必要的问题
- 遇到问题，需要冷静分析问题，解决一个问题还得看下关联的问题有没有影响
- weak函数大有益处（下回写文再细讲）
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