FreeRTOS qemu mps2-an385 bsp 移植制作：环境搭建篇

开发环境

Win10 64位 + VS Code，ssh 远程连接 ubuntu
VMware Workstation Pro 16 + Ubuntu 20.04
FreeRTOSv202212.01（备注：可以在 github 获取最新版本）
qemu qemu-system-arm mps2-an385 开发板，qemu 版本 QEMU emulator version 4.2.1 或更高
arm gcc 交叉编译工具链：当前使用 gcc 编译环境， gcc-arm-11.2-2022.02-x86_64-arm-none-eabi， gcc version 11.2.1 20220111

前言

FreeRTOS 当前支持 qemu mps2-an385，可以参考 FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Demo\CORTEX_M3_MPS2_QEMU_GCC，所以整个移植难度降低很多，不过为了全面的掌握 FreeRTOS 上 board 的移植方法，所以采用全新移植的方式。
为何使用 qemu而不使用实际的开发板进行 FreeRTOS 的学习研究？其实就是为了方便、高效，当然全面掌握RTOS 技术开发是离不开实际硬件的。
使用 qemu，可以用于评估验证一些软件功能，开发一些组件、框架，这些软件功能，由于不依赖具体的平台，所以使用 qemu 来开发会大大的提高效率
软件是调试出来的，一些功能的验证、运行结果的比对，需要大量的调试，使用 Qemu，无疑降低了调试环境的搭建，所以Qemu 用于开发学习 FreeRTOS，是很有用的一件事情。

环境的准备

开发环境暂时为：Linux 环境， ubuntu 20.04，后面尝试适配到 Windows 上，工程编译采用 gcc 交叉编译，Makefile 构建
ubuntu 20.04 需要安装 qemu，qemu-system-arm，默认版本即可支持 Qemu 开发板：mps2-an385
可以在 Linux shell 下输入命令查看 qemu 支持的开发板：

$ qemu-system-arm --version
QEMU emulator version 4.2.1 (Debian 1:4.2-3ubuntu6.27)
Copyright (c) 2003-2019 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

qemu-system-arm -M help 查看当前 qemu qemu-system-arm 支持的 ARM 开发板

在这里插入图片描述

mps2-an385 ARM MPS2 with AN385 FPGA image for Cortex-M3，类似于 STM32F103 系列，是 ARM Cortex-M3 系列的。

获取 `mps2-an385` 相关资料

说实话，这个 mps2-an385 的资料非常少，我当前获取到的就是一个 SDK，还是从 ARM 官方搜索半天找到的。不过这个 mps2-an385 类似于 STM32，systick、pendSV 等跟 STM32 基本一致，所以基本不需要改动就可以运行。

下载 V2M-MPS2_CMx_BSP

mps2 的资料很少，所以唯一能下载的是 ARM 官方的 V2M-MPS2_CMx_BSP，下载地址为： https://keilpack.azureedge.net/pack/Keil.V2M-MPS2_CMx_BSP.1.8.0.pack

在这里插入图片描述

其实这是个 Keil MDK5 的 Pack 包，安装后，会有相应的头文件、简单的示例

提取启动文件与连接脚本

安装 Keil.V2M-MPS2_CMx_BSP.1.8.0.pack 后，在 V2M-MPS2_CMx_BSP\1.8.0\Device\CMSDK_CM3\Source\GCC 路径下，有 mps2-an385 的启动文件与连接脚本

在这里插入图片描述

把整个 V2M-MPS2_CMx_BSP\1.8.0\Device\CMSDK_CM3 目录复制到工程 qemu-mps2-arm 目录下
mps2-an385 的启动文件与连接脚本，与 STM32F103 系列的很像，基本不需要修改就可以使用

获取 CMSIS 相关头文件

编译报 system_CMSDK_CM3.c:35:4: error: #error device not specified!，可以在 qemu-mps2-arm/CMSDK_CM3/Source/system_CMSDK_CM3.c 文件上面定义 MCU 的型号 #define CMSDK_CM3
编译还缺少 CMSIS 相关的头文件，如 core_cm3.h 文件：这部分可以复制 Keil MDK5 pack 路径下的 \ARM\CMSIS\5.8.0\CMSIS\Core\Include\core_cm3.h 到工程 cmsis\Core\Include 目录
工程创建 qemu-mps2-arm/cmsis/Core/Include 目录，把以下Keil MDK5 pack 路径下的相关 cmsis 头文件文件复制进来
\ARM\CMSIS\5.8.0\CMSIS\Core\Include\cmsis_compiler.h
\ARM\CMSIS\5.8.0\CMSIS\Core\Include\cmsis_gcc.h
\ARM\CMSIS\5.8.0\CMSIS\Core\Include\cmsis_version.h
\ARM\CMSIS\5.8.0\CMSIS\Core\Include\core_cm3.h
\ARM\CMSIS\5.8.0\CMSIS\Core\Include\mpu_armv7.h

配置arm gcc 交叉编译环境

下载 arm gcc 交叉编译工具链：ARM 官方提供各个版本的下载地址
https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads
当前验证较新的版本，如 gcc-arm-11.2-2022.02-x86_64-arm-none-eabi，可以正常编译并运行
可以在 gcc 交叉编译工具链下 bin 目录，运行 arm-none-eabi-gcc -v，确认交叉编译工具链可以工作

在这里插入图片描述

获取 FreeRTOS

如果可以访问 github，建议从 github 上使用 git 拉取最新的 FreeRTOS 版本，也可以下载 FreeRTOS 的 Release 版本，我当前使用 FreeRTOSv202212.01
下载地址：可以在 github 或者 FreeRTOS 官方网站上找到下载链接 https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS/releases/tag/202212.01
git clone https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS.git --recurse-submodules
或者只 clone FreeRTOS 的 Kernel，不过最好全部 clone 下来，参考里面的例程
git clone https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS-Kernel.git

配置工程目录文件

为了减少工程的体积，只需要把需要的代码文件复制到工程即可
可以复制到工程后，手动移除不需要的目录与文件，也可以只复制需要的目录与文件到工程
当前的 qemu mps2-an385 属于 ARM Cortex-M3，Linux gcc 交叉编译环境，所以平台文件需要 FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Source\portable\GCC\ARM_CM3
内存管理部分：FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Source\portable\MemMang 需要
内核部分：主要是 FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Source 下的 .c 文件
头文件：需要 FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Source\include
FreeRTOS 的授权 License 可以复制到工程

工程的结构如下

zhangsz@zhangsz:~/rtos/freertos_arm_qemu$ tree
.
├── License
│   └── license.txt
├── qemu_arm_mps2
│   ├── application
│   │   ├── IntQueue.c
│   │   ├── IntQueue.h
│   │   ├── IntQueueTimer.c
│   │   ├── IntQueueTimer.h
│   │   ├── main_blinky.c
│   │   ├── main.c
│   │   └── printf-stdarg.c
│   ├── CMSDK_CM3
│   │   ├── Include
│   │   │   ├── CMSDK_CM3.h
│   │   │   └── system_CMSDK_CM3.h
│   │   └── Source
│   │       ├── ARM
│   │       │   ├── ac6_arm.sct
│   │       │   └── startup_CMSDK_CM3.S
│   │       ├── GCC
│   │       │   ├── gcc_arm.ld
│   │       │   └── startup_CMSDK_CM3.S
│   │       ├── startup_CMSDK_CM3.c
│   │       └── system_CMSDK_CM3.c
│   ├── cmsis
│   │   └── core
│   │       └── include
│   │           ├── cmsis_compiler.h
│   │           ├── cmsis_gcc.h
│   │           ├── cmsis_version.h
│   │           ├── core_cm3.h
│   │           └── mpu_armv7.h
│   ├── FreeRTOSConfig.h
│   ├── Makefile
│   ├── output
│   │   └── asm
│   ├── qemu-debug.sh
│   ├── qemu.sh
│   └── Readme.md
├── readme.md
└── Source
    ├── croutine.c
    ├── event_groups.c
    ├── include
    │   ├── atomic.h
    │   ├── CMakeLists.txt
    │   ├── croutine.h
    │   ├── deprecated_definitions.h
    │   ├── event_groups.h
    │   ├── FreeRTOS.h
    │   ├── list.h
    │   ├── message_buffer.h
    │   ├── mpu_prototypes.h
    │   ├── mpu_wrappers.h
    │   ├── newlib-freertos.h
    │   ├── picolibc-freertos.h
    │   ├── portable.h
    │   ├── projdefs.h
    │   ├── queue.h
    │   ├── semphr.h
    │   ├── stack_macros.h
    │   ├── StackMacros.h
    │   ├── stdint.readme
    │   ├── stream_buffer.h
    │   ├── task.h
    │   └── timers.h
    ├── LICENSE.md
    ├── list.c
    ├── portable
    │   ├── GCC
    │   │   └── ARM_CM3
    │   │       ├── port.c
    │   │       └── portmacro.h
    │   └── MemMang
    │       ├── heap_1.c
    │       ├── heap_2.c
    │       ├── heap_3.c
    │       ├── heap_4.c
    │       ├── heap_5.c
    │       └── ReadMe.url
    ├── queue.c
    ├── README.md
    ├── stream_buffer.c
    ├── tasks.c
    └── timers.c

备注： mps2-an385 的 bsp 相关文件，可以从 FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Demo\CORTEX_M3_MPS2_QEMU_GCC 获取，当前连接脚本、启动文件，采用 V2M-MPS2_CMx_BSP 里面的
Makefile 构建文件

OUTPUT_DIR := ./output
IMAGE := mps2_demo.elf

KERNEL_ROOT = ./..
CROSS_COMPILE = /home/zhangsz/linux/tools/gcc-arm-11.2-2022.02-x86_64-arm-none-eabi/bin/

CC = $(CROSS_COMPILE)/arm-none-eabi-gcc
LD = $(CROSS_COMPILE)/arm-none-eabi-gcc
SIZE = $(CROSS_COMPILE)/arm-none-eabi-size
MAKE = make

CFLAGS += $(INCLUDE_DIRS) -nostartfiles -ffreestanding -mthumb -mcpu=cortex-m3 \
		  -Wall -msoft-float -g -O0 -ffunction-sections -fdata-sections \
		  -std=gnu99 \

LDFLAGS=-mthumb \
		-mcpu=cortex-m3 \
		-mlittle-endian \
		-ffreestanding \
		-specs=nano.specs \
		-specs=nosys.specs \
		-specs=rdimon.specs \
		-T$(LINK_SCRIPTS) \
		-Wl,-Map=$(OUTPUT_DIR)/mps2_demo.map

#KERNEL_DIR = $(KERNEL_ROOT)/uC-OS2
KERNEL_DIR = $(KERNEL_ROOT)/Source
KERNEL_PORT_DIR += $(KERNEL_DIR)/portable/GCC/ARM_CM3

INCLUDE_DIRS += -I$(KERNEL_DIR)/include \
				-I$(KERNEL_DIR)/portable/GCC/ARM_CM3 \

SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/tasks.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/list.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/queue.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/timers.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/event_groups.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/stream_buffer.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/portable/MemMang/heap_4.c
SOURCE_FILES += $(KERNEL_DIR)/portable/GCC/ARM_CM3/port.c

DEMO_ROOT = $(KERNEL_ROOT)
DEMO_PROJECT = $(DEMO_ROOT)/qemu_arm_mps2
INCLUDE_DIRS += -I$(DEMO_PROJECT) \
				-I$(DEMO_PROJECT)/cmsis/core/include \
				-I$(DEMO_PROJECT)/CMSDK_CM3/Include \

SOURCE_FILES += $(DEMO_PROJECT)/application/main.c
SOURCE_FILES += $(DEMO_PROJECT)/application/main_blinky.c
SOURCE_FILES += $(DEMO_PROJECT)/application/IntQueue.c
SOURCE_FILES += $(DEMO_PROJECT)/application/IntQueueTimer.c
SOURCE_FILES += $(DEMO_PROJECT)/application/printf-stdarg.c
SOURCE_FILES += $(DEMO_PROJECT)/CMSDK_CM3/Source/system_CMSDK_CM3.c

ASM_OBJS = $(DEMO_PROJECT)/CMSDK_CM3/Source/GCC/startup_CMSDK_CM3.o

APP_OBJS=$(patsubst  %.c, %.o, $(SOURCE_FILES))

LINK_SCRIPTS = $(DEMO_PROJECT)/CMSDK_CM3/Source/GCC/gcc_arm.ld

all: app
	@echo "---- build end ----"

.c.o:
	$(CC) -c $^  -o $@ $(CFLAGS)

.S.o:
	$(CC) -c $^ -o $@ $(CFLAGS)

app : $(APP_OBJS) $(ASM_OBJS)
	$(CC)  $^ -o $(IMAGE) $(LDFLAGS)

clean :
	rm -f $(APP_OBJS)
	rm -f $(ASM_OBJS)
	rm -f $(IMAGE)

export CFLAGS CC