如何在STM32H7双核设备上使用FreeRTOS消息缓冲区？
如何在STM32H7双核设备上使用FreeRTOS消息缓冲区？1.简介和理论当在每个核心上运行FreeRTOS实例时，我们可以使用FreeRTOS消息缓冲区实现进程间通信（IPC），如下所述：https://ww...
如何在STM32H7双核设备上使用FreeRTOS消息缓冲区？
1.引言和理论
当在每个核心上运行FreeRTOS实例时，我们可以使用FreeRTOS消息缓冲区实现进程间通信（IPC），如下所述：https://www.freertos.org/2020/02/simple-multicore-core-to-core-communication-using-freertos-message-...
实现的主要部分已经由FreeRTOS提供。我们只需要在核心之间实现两个通知：
- 缓冲区中有新消息时
- 读卡器释放消息缓冲区时
为了发送这些通知，我们可以使用硬件信号量（HSEM）外围设备。然而，这样我们就只能发送通知，而不能发送更多的数据。因此，我们需要4种不同的HW信号量来进行基本的双向通信。总共有32个，所以4个并不多。
或者，我们可以在传递这些信息的地方实现“控制”消息缓冲区。当我们想要在核心和不同任务之间实现多个消息缓冲区时，这变得非常有用。
请注意，每个缓冲区只能由单个任务写入。阅读也是如此。
在实现“控制”消息缓冲区的情况下，我们在消息中传递以下信息：
- 正在通知哪个消息缓冲区
- 通知是什么（新消息可用或消息已发布）
当然，当“控制”消息缓冲区变满时可能会出现问题。然而，处理这种情况可能很困难，并且可能更容易使控制缓冲区足够大。为每个“数据”消息缓冲区留出2个事件的空间是一个很好的起点。与没有“控制”消息缓冲区的解决方案相比，这是一个缺点。
然而，我们可以检测到这个问题，并至少报告错误（而不是以一些未定义的行为结束）。“控制”消息缓冲区在HSEM中断处理程序中释放，因此对该中断具有高优先级也会有所帮助。
（理论上，你可以尝试单独为“控制”消息缓冲区实现一些通知，但你也需要确保只有一个线程在等待“控制”信息缓冲区。这种解决方案可能会带来更大的复杂性。）
我们还需要注意消息缓冲区的分配位置。最好的位置是将其放置在D3 SRAM中（起始0x3800000）。该内存可由两个内核访问，并且在其中一个内核进入低功耗模式时保留。由于我们需要分配多个句柄和缓冲区，最简单的方法是定义全局结构并将其放置在D3SRAM的开头。
在这里，我们假设CM4和CM7编译的代码将使用相同的大小和对齐结构。
2.示例实现
示例是为STM32H745发现板创建的，但它应该很容易移植到其他板/设备。部分基于STM32Cube_FW_H7_V1.9.0固件包中提供的cm_ipc.c/.h（STM32Cube_FW_H7_1.9.0\Projects\STM32H747I-DISCO\Demolations\extra_modules\STIC）。
在这里，我们重点讨论使用“控制”消息缓冲区（FreeRTOS_MultipleMessageBuffers）的实现。这些示例还包含具有单个数据消息缓冲区的更简单版本。
在应用程序中，每个核心在通道0上周期性地发送消息。当核心接收到来自通道0的消息时，它将切换LED。CM4在接收到消息之后有意地添加延迟。此测试CM7线程正在等待消息缓冲区中的可用空间的情况
在通道1上，当按下板上的用户按钮时，CM4发送一条消息。当CM7接收到该消息时，它将切换其他LED。
2.1 STM32CubeMX配置
在STM32CubeMX中，我们需要为两个核心启用FreeRTOS中间件，CMSIS版本应该无关紧要，因为我们将直接调用FreeRTOS。此外，我们还需要为NVIC1（CM7）和NVIC2（CM4）中的两个内核启用HSEM中断。这个基本配置应该足够了。在这个例子中，CM7和CM4的MPU都阻止访问除D3 SRAM之外的其他核心使用的FLASH和RAM存储器。这是为了避免和检测由错误配置引起的任何不必要的访问。
2.2添加cm_ipc.c/.h文件
您可以在所附的示例中找到cm_ipc.c/.h实现。为了发送“控制”消息，我们使用以下结构：
typedef结构｛MessageBufferHandle_t缓冲区；uint32_t is_receive；｝amp_ctrl_msg_t；对于缓冲区分配，我们定义了放置在D3 SRAM中的shared_ram_t结构：
typedef struct｛MessageBufferHandle_t cm7_to_cm4_handle；MessageBufferHandle_t cm4_to_cm7_handle；StaticMessageBuffer_t cm7_to_cm4_xmsg；StaticMessage buffer_t cm4_to_cm 7_xmsg；uint32_t cm7-to_cm4_buffer[IPC_CHANNEL_buffer_SIZE/4]；uint332_t cm4_to _cm7_buffer[IPC_CHANNEL_BUFBER_SIZE/4]；｝IPC_CHANNEL_t；typedef struct｛/*控制消息缓冲区*/MessageBufferHandle_t cm7\o_cm4_handle；MessageBufferHandle_t cm4_to_cm7_handle；StaticMessageBuffer_t cm7_to_cm4_xmsg；StaticMessage buffer_t cm4_to_cm 7_xmmsg；uint32_t cm7-to_cm4_buffer[cm7_to_cm4_CTRL_SIZE/4]；uint22_t cm4_to _cm7_buffer[cm4_to_cm7_CTRL_SIZE/4]；ipc_channel_t channels[CIPC_NUMBER_OF_channels]；｝shared_rams _t；在本例中，为了简化配置和初始化，所有“数据”缓冲区都具有相同的大小，因此我们可以简单地将它们定义为数组。
以下是从HSEM中断调用的中断处理程序，用于处理传入的“控制”消息：
static void prvCoreInterruptHandler（int ctrl）｛BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken=pdFALSE；amp_ctrl_msg_t ctrl_msg；if（！xrx_ctrl_buf）｛return；｝while（xMessageBufferReceiveFromISR（xrx_ctll_buf，&ctrl_mmsg，sizeof（amp_ctrll_msg_t），&xHigherPriorityTaskWoken）==sizeof（amp_ctrl_msg_t））｛if（ctrl_msg.is_receive）｛xMessageBufferSendCompletedFromISR（ctrl_msg.buffer，&xHigher PriorityTaskwoken）；｝else｛xMMessageBufferReceiveCompletedFromISR（ctrl-msg.bufffer，&xHigherPriorityTaskWoken，其中，xHigherPriorityTaskWoken初始化为pdFALSE，如果中断安全API取消阻止优先级高于当前执行任务优先级的任务，则将设置为pdTRUE。*/端口YIELD_FROM_ISR（xHigherPriorityTaskWoken）；｝
下面是用于发送事件的函数：
void vGenerateRemoteInterrupt（void*xUpdatedMessageBuffer，int is_receive）｛MessageBufferHandle_t xUpdatedBuffer=（MessageBufferHandle_t）xUpdatedMMessageBuffer；amp_ctrl_msg_t ctrl_msg；__DSB（）；if（xUpdatedBbuffer！=xtx_ctrl_buff和&xUpdatedBBuffer！=xrx_ctrl_Buff）（amp_ctrl_msg_t），0）！=sizeof（amp_ctrl_msg_t在这里，我们可以检测“控制”消息缓冲区是否溢出，并调用一些错误处理程序。
2.3修改FreeRTOSConfig.h
在FreeRTOSConfig.h中，我们需要覆盖一些宏定义。在cm_ipc.C中还检查了额外的C宏，以确保正确完成此修改：/*USER CODE BEGIN定义*//*可以添加参数定义的部分（例如，覆盖FreeRTOS.h中的默认定义）*/void vGenerateRemoteInterrupt（void*xUpdatedMessageBuffer，int is_receive）#define sbSEND_COMPLETE_FROM_ISR sbSEND_COMPLETED_FROM_ISR#define sbSEND_COMPLETED（pxStreamBuffer）vGenerateRemoteInterrupt（pxStreamBuffer，1）#define sbSEND_COMPLE TED_FROM_ISR（pxStream Buffer，pxHigherPriorityTaskWoken）vGenerateRemoteInterruptsbRECEIVE_COMPLETED_FROM_ISR（pxStreamBuffer，pxHigherPriorityTaskWoken）vGenerateRemoteInterrupt（pxStreamBuffer，0）#定义IPC_CHECK_sbSEND_COMPLETED/*用户代码END定义*/注意：在FreeRTOS代码中使用sbSEND_COMPLETED_FROM_ISR而不是sbSEND_COMPLETED_FRAM_ISR时，似乎有轻微的拼写错误或命名不一致。
否则，FreeRTOS将尝试向本地线程传递通知，可能会发生一些令人讨厌的事情。（在某些情况下，它可能导致例如CM7执行CM4任务）。这就是为什么还有IPC_CHECK_sbSEND_COMPLETED宏，它检查那些FreeRTOS回调是否被覆盖。这在将cm_ipc.c/.h复制到新项目时非常有用。如果未定义宏，则cm_ipc.c将引发编译错误。
2.4修改链接脚本
修改linkerscript非常容易。对于这两个核心，我们需要确保修改以“_FLASH.ld”结尾的链接脚本，并在中断向量后添加“.shared_ram”部分：
.Irs_vector:｛.=ALIGN（4）；KEEP（*（.irs_vector））/*启动代码*/.=ALIGN（4））；｝>FLASH.shared_ram（NOLAD）：｛*（.shared_ram）｝>ram_D3
对于Cortex-M4，我们需要定义D3 SRAM（RAM_D3区域）：
内存｛FLASH（rx）:ORIGIN=0x08100000，LENGTH=1024K RAM（xrw）:ORIGIN=0x10000000，LENGTH=288K RAM_D3（xrw
在STM32CubeIDE的窗口>显示视图>构建分析器中，我们可以检查数据是否位于0x3800000。
2.5初始化缓冲区和交换消息
在cm_ipc.c/.h文件中有函数ipc_init和ipc_start。ipc_init初始化消息缓冲区，ipc_start启用HSEM中断。应首先调用ipc_init，并在FreeRTOS已经运行时调用ipc_start。在我们的示例中，缓冲区由CM7初始化，CM4在ipc_init执行后释放。
对于发送和接收数据，有ipc_send和ipc_receive函数。两者都将通道编号作为第一个参数。
在这两种情况下，我们都应该检查返回值，看看我们是否成功接收/发送了任何数据。在该示例中，这仅针对接收部分进行。
3.增加更多渠道，改进示例
当使用多个通道时，最好去掉“控制”消息缓冲区。这可以允许我们并行地发送来自中断和任务的消息，假设每个中断/任务使用单独的通道。
我们可以通过为每个双向通道专用更多的4个HSEM信号量来做到这一点，但我们很快就会用完可用的信号量。
我们可以通过使用存储在SRAM中的两个32位值来“模拟”HSEM通知事件。让我们把它们称为“remote_toggle”和“local_togle”。然后，每个事件在两个寄存器中都有其位，“local_toggle”由当前CPU修改，“remote_togle”由另一个CPU修改（因此，在另一个CPU上，这些寄存器被交换）。我们可以通过在“local_toggle”上切换一点来发送事件。在远程端，我们可以通过对“remote_toggle”和“local_togle”进行异或来检测传入事件。最后，另一个CPU通过切换“remote_toggle”来确认该事件。
当“切换”这些位时，我们应该确保只有一个线程/中断访问“local_toggle”。由于我们也希望从中断上下文发送消息，因此唯一安全的方法是全局禁用中断。然而，切换过程本身应该很短（3条指令，不包括中断的启用/禁用）。
在要求苛刻的实时应用程序中，我们可以通过优先级屏蔽全局禁用仅低优先级中断，。然而，在这种情况下，我们无法从那些未被禁用/屏蔽的中断中发送消息，或者我们需要为这些中断实现单独的通道（使用专用的HSEM信号量）。
这个机制在第三个例子中实现，并添加了额外的函数ipc_sendmsg_irq来发送来自中断例程的消息。
4.示例
软件包中有3个示例：- FreeRTOS_MessageBuffer-核心之间仅实现一个双向缓冲区的简单示例
- FreeRTOS_MultipleMessageBuffers-使用多个消息缓冲区实现“控制”消息缓冲区的高级示例
- FreeRTOS_MultipleMessageBuffers2-使用“切换”机制从中断例程发送消息的改进示例
在此处下载示例