CPK-RA6M4評估板入門指南

要點

CPK-RA6M4是用于RA6M4單片機的評估板套件。該套件可通過靈活配置軟件包（FSP）和e2 studio IDE，對RA6M4 MCU群組的特性進行無縫評估，并對嵌入系統(tǒng)應用程序進行開發(fā)。本文檔是《瑞薩RA MCU基礎知識》的配套文檔，旨在將該指南中有關硬件操作的部分在CPK-RA6M4評估板上進行實現(xiàn)。

在使用本文檔之前，推薦您先學習《瑞薩RA MCU基礎知識》，以了解更多關于RA MCU的基礎知識以及其他相關知識，這樣有助于您在本文所述的硬件實操中更快上手。

開發(fā)環(huán)境

e2 studio：2021-04版

FSP：v3.1.0

目錄

首次使用瑞薩CPK-RA6M4評估板

下載并測試示例

Hello World! – Hi Blinky!

使用實時操作系統(tǒng)

使用“靈活配置軟件包”通過USB端口發(fā)送數(shù)據(jù)

4. 使用實時操作系統(tǒng)

本章內(nèi)容基于《瑞薩RA MCU基礎知識》中的章節(jié)9使用實時操作系統(tǒng)所作。

您將在本章中學到以下內(nèi)容：

什么是線程、信號量和隊列，以及如何使用它們。

如何在e2 studio中向程序添加線程和信號量。

如何在RTOS控制下通過按鈕切換用戶LED的狀態(tài)。

上一章中的練習已經(jīng)利用了瑞薩RA系列單片機（MCU）靈活配置軟件包（FSP）的很大一部分。在本章中，您將使用FreeRTOS實時操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個小型應用程序，利用線程控制LED并利用信號量實現(xiàn)與按鈕的同步。您將親身體驗到這實際上僅需要幾個步驟。

我們將從頭開始創(chuàng)建完整的項目，因此如果您沒有進行過之前的實驗，請不必擔心。

4.1 線程、信號量和隊列

在我們實際深入進行此練習之前，需要定義將在本章和下一章中使用的一些術語，以確保我們能夠達成共識。

首先，需要定義術語“線程”。如果您更習慣于“任務”這個表達方式，只需把線程看作是一種任務。有些人甚至互換使用這兩個短語。當使用實時操作系統(tǒng)（RTOS）時，單片機上運行的應用程序?qū)⒉鸱譃閹讉€較小的半獨立代碼塊，每個代碼塊通常控制程序的一個方面。這些小片段稱為線程。一個應用程序中可以存在多個線程，但是在任何給定時間都只能有一個線程處于活動狀態(tài)，因為RA系列單片機是單核器件。每個線程都有自己的堆棧空間，如果需要安全的上下文，則可以將其置于MCU的安全側。每個線程還分配有優(yōu)先級（相對于應用程序中的其他線程），并且可以處于不同的狀態(tài)，例如運行、就緒、阻塞或暫停。在FreeRTOS中，可以通過調(diào)用eTaskGetState()API函數(shù)來查詢線程的狀態(tài)。線程間信號傳輸、同步或通信是通過信號量、隊列、互斥、通知、直接任務通知或者流和消息緩沖區(qū)來實現(xiàn)的。

信號量是RTOS的資源，可用于傳輸事件和線程同步（以產(chǎn)生者-使用者方式）。使用信號量允許應用程序暫停線程，直到事件發(fā)生并發(fā)布信號量。如果沒有RTOS，就需要不斷地輪詢標志變量或創(chuàng)建代碼來執(zhí)行中斷服務程序（ISR）中的某個操作，這會在相當長的一段時間內(nèi)阻塞其他中斷。使用信號量可快速退出ISR并將操作推遲到相關線程。

FreeRTOS提供計數(shù)信號量和二進制信號量。盡管二進制信號量由于只能采用兩個值（0和1）而非常適合實現(xiàn)任務之間或中斷與任務之間的同步，但是計數(shù)信號量的計數(shù)范圍可涵蓋0到用戶在FSP配置器中創(chuàng)建信號量期間指定的最大計數(shù)。默認值為256，可支持設計人員執(zhí)行更復雜的同步操作。

每個信號量都有兩個相關的基本操作：xSemaphoreTake()（將使信號量遞減1）和xSemaphoreGive()（將使信號量遞增1）。這兩個函數(shù)有兩種形式：一種是可以從中斷服務程序內(nèi)部調(diào)用（xSemaphoreTakeFromISR(）和SemaphoreGiveFromThread()）的形式，另一種則是上述可以在線程的正常上下文中調(diào)用的形式。

我們需要討論的最后一個術語是隊列，即使在本練習中不使用隊列，下一章的練習中也會使用。報文隊列是線程間通信的主要方法，它允許在任務之間或中斷與任務之間發(fā)送消息。消息隊列中可以有一條或多條消息。數(shù)據(jù)（也可以是指向更大緩沖區(qū)的指針）會復制到隊列中，即，它不存儲引用而是消息本身。新消息通常置于隊列的末尾，但也可以直接發(fā)送到開頭。接收到的消息將從前面開始刪除。

允許的消息大小可在設計時通過FSP配置器指定。默認項大小為4個字節(jié)，默認隊列長度（表示隊列中可存儲的項數(shù)）為20。所有項的大小必須相同。FreeRTOS中的隊列數(shù)沒有限制；惟一的限制是系統(tǒng)中可用的存儲空間。使用xQueueSend(）函數(shù)將消息放入隊列中，并通過xQueueReceive(）從隊列中讀取消息。與信號量一樣，函數(shù)有兩種版本：一種可以從線程的上下文調(diào)用，另一種可以從ISR內(nèi)部調(diào)用。

4.2 使用e2 studio將線程添加到FreeRTOS中

接下來的練習也是基于CPK-RA6M4評估板。這次，我們將使用電路板下方的用戶按鈕S1向應用程序傳輸事件，應用程序?qū)⑶袚Q紅色LED的狀態(tài)進行響應。為實現(xiàn)目標，我們將使用FreeRTOS，事件的處理將在線程內(nèi)進行，并通過信號量進行通知。

第一步是使用項目配置器創(chuàng)建一個新項目。首先，轉到“File → New →“RenesasRAC/C++ Project””（文件→新建→Renesas C/C++ 項目）。單擊“Next”（下一步）并在出現(xiàn)的屏幕上輸入項目名稱，例如CPK_RA6M4_RtosProject。再次單擊“Next”（下一步）。此操作將轉到“Device and Tools Selection”（器件和工具選擇）窗口。首先，選擇一個電路板。選擇CPK-RA6M4并將相應的器件設置為R7FA6M4AF3CFB（如果尚未列出）。查看工具鏈：它應顯示為GCC Arm Embedded。單擊“Next”（下一步）繼續(xù)操作。

在當前出現(xiàn)的屏幕中，可以在非TrustZone與安全和非安全TrustZone項目之間進行選擇。保持“Flat（Non-TrustZone）Project”（扁平化（非TrustZone）項目）處于選中狀態(tài)，然后單擊“Next”（下一步）。隨即出現(xiàn)“Build Artifact andRTOSSelection”（構建工件和RTOS選擇）窗口。保持設置不變，即在“Build Artifact Selection”（構建工件選擇）下選擇“Executable”（可執(zhí)行文件），在“RTOS Selection”（RTOS 選擇）下選擇FreeRTOS。單擊“Next”（下一步），轉到下一個名為“Project Template Selection”（項目模板選擇）的屏幕。在此，選擇“FreeRTOS – Minimal – Static Allocation”（FreeRTOS–最小化–靜態(tài)分配）。

最后，單擊“Finish”（完成），在配置器生成項目后，e2 studio將詢問您是否切換到“FSP Configuration”（FSP配置）透視圖。透視圖出現(xiàn)后，直接轉到“Stacks”（堆）選項卡。該選項卡將在“Threads”（線程）窗格中顯示“HAL/Common”（HAL/通用）線程的單個條目，其中包含I/O端口的驅(qū)動程序。單擊窗格頂部的“New Thread”（新線程）圖標（請參見圖4-1添加新線程）。

圖4-1：在FSP配置器出現(xiàn)之后，將僅顯示一個線程。選擇“New Thread”（新線程）按鈕，添加另一個線程

現(xiàn)在，在“Properties”（屬性）視圖中更改新線程的屬性：將“Symbol”（符號）重命名為led_thread，將“Name”（名稱）重命名為LED Thread。其他屬性保持默認值。在“LED Thread Stack”（LED線程堆）窗格中，單擊“New Stack”（新線程）按鈕圖標，選擇“Driver → Input → External IRQ Driver on r_icu”（驅(qū)動程序→輸入→r_icu上的外部IRQ驅(qū)動程序）（請參見圖4-2）。

圖4-2：添加新驅(qū)動程序只需單擊幾下鼠標

此操作將為外部中斷添加驅(qū)動程序。查看新驅(qū)動程序的“Properties”（屬性）：

首先，請確保“Channel”（通道）為0，因為S1所連引腳連接到IRQ00。出于相同的原因，將名稱更改為g_external_irq00或您喜歡的任何名稱。

為中斷分配優(yōu)先級12，啟動期間FSP將不會允許該中斷。也可以選擇任何其他優(yōu)先級，但開始時最好選擇優(yōu)先級12，因為即使在較大的系統(tǒng)中，也很少會遇到中斷優(yōu)先級沖突。請注意，優(yōu)先級15是為系統(tǒng)時鐘節(jié)拍定時器（systick）保留的，因此不應被其他中斷使用。

圖4-3：堆元素的灰色條表示此驅(qū)動程序是模塊實例，只能由另一個FSP模塊實例引用

將“Trigger”（觸發(fā)器）從“Rising”（上升）更改為“Falling”（下降）以捕捉按鈕激活操作，并將“Digital Filtering”（數(shù)字濾波）從“Disabled”（禁用）更改為“Enabled”（啟用）。始終將“Digital Filtering Sample Clock”（數(shù)字濾波采樣時鐘）設置為PCLK/64。這將有助于對按鈕去抖。最后，用external_irq00_callback替換Callback行中的NULL。每次按下S1都會調(diào)用此函數(shù)。在稍后創(chuàng)建應用程序時，我們將為回調(diào)函數(shù)本身添加代碼。圖4-4 給出了必要設置的摘要。

圖4-4：應用程序所需的IRQ驅(qū)動程序的屬性

現(xiàn)在，只需要執(zhí)行幾個步驟，即可編譯和下載程序。下一步是添加信號量。

為此，請在“LED Thread Objects”（LED線程對象）窗格中單擊“New Object”（新對象）按鈕。如果看到的不是此窗格，而是“HAL/Common Objects”（HAL/通用對象）窗格，則突出顯示“Threads”（線程）窗格中的“LED Thread”（LED線程），隨即將顯示此窗格。添加一個二進制信號量，我們需要在按下按鈕時通知LED線程。將信號量的“Symbol”（符號）屬性更改為g_s1_semaphore，并將“Memory Allocation”（存儲器分配）保留為“Static”（靜態(tài)）。現(xiàn)在，F(xiàn)SP配置器中的“Stacks”（堆）選項卡的外觀應類似于圖4-5。

圖4-5：這是添加LED線程和信號量后“Stacks”（堆）選項卡應呈現(xiàn)的外觀

FSP配置器中的最后一步是將S1連接的I/O引腳配置為IRQ00輸入。為此，請激活配置器中的“Pins”（引腳）選項卡，展開“Ports → P1”（端口→P1），然后選擇P105。在CPK-RA6M4評估板上，這是S1連接的端口。在右側的“Pin Configuration”（引腳配置）窗格中，為其指定符號名稱SW1，并確保其他設置與圖4-6中的設置相同。通常，配置器應該已為您完成了相關設置。如果沒有完成，請相應調(diào)整。請注意，右側的封裝查看器將突出顯示引腳103/P105，這樣便可獲得引腳位置的圖形參考。

圖4-6：應已為IRQ00正確配置了端口P105

完成此操作后，即完成了配置器中的設置。保存更改，然后單擊其頂部的“Generate Project Content”（生成項目內(nèi)容）圖標以創(chuàng)建必要的文件、文件夾和設置。

需要執(zhí)行的最后一項任務是添加初始化Leds結構體所需的代碼，編寫幾行代碼來切換LED并讀取信號量，然后創(chuàng)建將設置信號量的回調(diào)函數(shù)。可以在本章末尾查看完整代碼。

由于我們正在使用LED線程處理按鈕和切換LED的狀態(tài)，因此本次需要將相關代碼添加到led_thread_entry.c文件中。在“Project Explorer”（項目資源管理器）中雙擊文件名以在編輯器中將其打開。如果未顯示文件，請展開項目文件夾，然后展開src錄。與第3章中的練習一樣，為LED添加結構體并對其進行初始化。需要定義用戶LED（紅色）所連I/O引腳的電平的另一個變量。將其命名為led_level。該變量的類型需要采用ioport_level_t，并且應初始化為IOPORT_LEVEL_HIGH（在CPK-RA6M4上，“高”電平對應于“開啟”）。

下一步將是打開并啟用連接到板上S1的IRQ00。為此，請使用IRQ FSP驅(qū)動程序的打開和使能功能。完成后，初始化即完成。

在while(1)循環(huán)內(nèi)部，需要添加一些語句并刪除vTaskDelay(1)；語句。先使用函數(shù)調(diào)用將led_level的值寫入用戶LED（紅色）的I/O引腳的輸出寄存器，然后執(zhí)行相關語句切換該引腳的電平。

有幾種方法可以實現(xiàn)這一點。自行實現(xiàn)，回顧第3章的練習或查看本章結尾的代碼。不要忘記e2 studio的智能手冊功能，它會提供很大幫助！

While(1)循環(huán)中的最后一條語句是調(diào)用xSemaphoreTake()，將信號量的地址和常量portMAX_DELAY作為參數(shù)。后i一個參數(shù)將通知RTOS無限期地暫停線程，直到從IRQ00中斷服務程序調(diào)用的回調(diào)函數(shù)中釋放信號量為止。

最后要執(zhí)行的操作是添加回調(diào)函數(shù)本身。該函數(shù)應盡可能短，因為它將在中斷服務程序的上下文中執(zhí)行。編寫此函數(shù)十分簡單：只需轉到“Project Explorer”（項目資源管理器）中的“Developer Assistance →LED Thread → g_external_irq00 External IRQ Driver on r_icu”（開發(fā)人員幫助 →LED線程 → r_icu 上的g_external_irq00外部IRQ驅(qū)動程序），然后將所出現(xiàn)列表末尾的回調(diào)函數(shù)定義拖放到源文件中。

在回調(diào)函數(shù)內(nèi)，添加以下兩行代碼：

第一行中的宏將告知編譯器回調(diào)函數(shù)不使用參數(shù)p_args，從而避免編譯器發(fā)出警告，而第二行中的宏則在每次按下按鈕S1時釋放信號量。注意，必須使用give系列函數(shù)的中斷保存版本，因為此函數(shù)調(diào)用發(fā)生在ISR的上下文內(nèi)。此調(diào)用的第二個參數(shù)是*pxHigherPriorityTaskWoken。如果可能有一個或多個任務由于信號量發(fā)生阻塞并等待該信號量變?yōu)榭捎脿顟B(tài)，并且其中一個任務的優(yōu)先級高于發(fā)生中斷時執(zhí)行的任務，則此參數(shù)將在調(diào)用xSemaphoreGiveFromISR()后變?yōu)閠rue。在這種情況下，應在退出中斷之前執(zhí)行上下文切換。由于在我們的示例中，沒有其他任務依賴于此信號量，因此可以將此參數(shù)設置為NULL。

完成所有代碼編寫后，單擊“Build”（編譯）圖標（“錘子”），編譯項目。如果編譯后存在錯誤，請返回程序，借助“Problems”（問題）視圖中顯示的編譯器反饋修復問題。

如果項目編譯成功，請單擊“Debug”（調(diào)試）圖標旁的小箭頭，選擇“Debug Configurations”（調(diào)試配置），然后展開“Renesas GDB Hardware Debugging”（瑞薩GDB硬件調(diào)試）。選擇MyRtosProject Debug_Flat，或者為項目指定的名稱，然后單擊“Debug”（調(diào)試）。這樣便可啟動調(diào)試器。如果您需要更多相關信息，請回顧第3章中的相關部分。調(diào)試器啟動并運行后，單擊“Resume”（恢復）兩次。現(xiàn)在程序正在執(zhí)行，每次按下CPK上的S1時，用戶LED（紅色）都應切換狀態(tài)。

最后一點：在實際應用中，應執(zhí)行錯誤檢查以確保程序正確運行。為了清楚和簡潔起見，本示例中將其省略。

您已成功完成本練習！

本章要點

通過使用全面的API，可以輕松使用FSP的各個函數(shù)。

FSP將處理大多數(shù)與用戶代碼無關的內(nèi)容。

使用FreeRTOS十分簡單，因為FSP配置器的使用非常直觀，添加線程和信號量也相當輕松。

審核編輯：湯梓紅