一文了解 | FreeRTOS移植到stm32流程

前言     

       FreeRTOS实时操作系统移植到STM32平台的优点

     （1）FreeRTOS是一个实时操作系统，提供了可预测的任务调度和响应时间。这对于需要实时性能的应用程序至关重要。

     （2）FreeRTOS允许您在STM32上同时运行多个任务，这些任务可以并行执行。可以更好地组织和管理代码，提高系统的模块化和可维护性。

     （3）FreeRTOS提供了任务、队列、信号量等机制，使操作人员更有效地管理STM32的资源。可以防止资源竞争和死锁等常见问题，提高系统的稳定性和可靠性。

       上述众多优点表明，移植可以给STM32平台提供可靠的实时性能、多任务支持和资源管理。

正文

01-FreeRTOS简介

        1、RTOS 简介

        实时操作系统（RTOS）是一种专为实时应用程序设计的操作系统，它能够确保任务在特定的时间约束内完成，并提供可预测的响应时间。RTOS 通常用于嵌入式系统，其中任务的时间敏感性非常重要。实时操作系统分为硬实时和软实时两种类型，硬实时要求任务必须在规定的时间内完成，而软实时则允许偶尔的任务延迟。

        2、FreeRTOS 简介

        FreeRTOS 是一个流行的实时操作系统，专为嵌入式系统设计。它提供了轻量级的内核，适用于资源有限的设备，并具有高度可移植性。FreeRTOS 的内核提供了任务调度、信号量、消息队列等基本功能，同时也支持实时内存管理和软件定时器等扩展功能。

        3、多任务操作系统简介

        FreeRTOS 是一个流行的实时操作系统，专为嵌入式系统设计。它提供了轻量级的内核，适用于资源有限的设备，并具有高度可移植性。FreeRTOS 的内核提供了任务调度、信号量、消息队列等基本功能，同时也支持实时内存管理和软件定时器等扩展功能。

        4、FreeRTOS 能够同时多任务执行的原理

        a、FreeRTOS 使用基于优先级的抢占式调度算法。每个任务都有一个优先级，并且具有最高优先级的任务将始终运行，直到它阻塞、让出 CPU，或者被更高优先级的任务抢占。这种调度算法确保了高优先级任务的及时响应，同时也允许低优先级任务在必要时执行。

        b、当任务被阻塞时，调度器会选择下一个最高优先级的就绪任务来执行。这种方式实现了任务之间的并发执行，从而提供了多任务操作系统的功能。任务的状态转换由任务调度器负责管理，确保任务的执行顺序符合预期。

02-下载FreeRTOS数据包

        FreeRTOS移植首先需要从官网下载FreeRTOS数据包，对于一下多余的文件进行删除，仅使用所需文件，减少内存使用，官网链接如下。FreeRTOS - Free RTOS Source Code Downloads, the official FreeRTOS zip file release download

03-FreeRTOS移植过程

        1、解压数据包

        从官网下载得到的FreeRTOS数据包，需要进行解压，以Keil工具下STM32F103芯片为例，解压之后，它的FreeRTOS的目录如下：

     （1）可以获得一个内核文件Source，也就是源代码文件，里面包含了include、portable等文件夹，还有task.c-用于任务操作文件，list.c-用于使用列表，queue-用于使用对列以及信号量操作。portable文件夹里包含RVDS文件-可以选择架构、MemMang文件-用于内存管理。

        （2）还有一个Demo文件，里面包含了一个STM32F103的工程实例，CORTEX_STM32F103_Keil，已经移植完成的，里面包含一个FreeRTOSConfig.h配置文件，移植时也会用到。

        2、创建FreeRTOS文件目录

     （1）经过解压之后，就可以进行复制所需文件，首先在自己需要移植的项目文件中创建一个FreeRTOS文件目录，然后需要将解压之后的内核文件Source中的7个.c文件和include、portable文件复制到该文件夹下，如下图所示。

     （2）对于portable文件夹下，仅保留MemMang和RVDS文件夹，其中MemMang里有5个内存管理模块，heap_1.c至heap_5.c五个文件，其中heap_4.c可以动态分配内存，使相邻空间内存合并处理，其余内存删除，解决了碎片化问题。因此，仅保留heap_4.c文件。对于RVDS文件夹，保留需要的ARM系列即可，仅保留ARM-CM3即可。

        3、创建FreeRTOS分组文件

     （1）在项目文件中创建分组文件，都是属于FreeRTOS的，一个是Source文件用于存放源文件，一个是other文件用于存放heap_4.c和port.c文件，port.c文件在ARM_CM3中，如图所示

      （2）接下来就是如何操作，导入这些文件，以Keil软件为例，下图是导入文件的步骤。

      （3）导入文件之后，需要包含各文件的头文件，如下图所示，按照步骤操作即可。

      

      此时直接编译之后，将会报错，主要是因为缺少配置文件FreeRTOSConfig.h

       4、添加FreeRTOS配置文件

       在解压之后的工程实例CORTEX_STM32F103_Keil，包含一个FreeRTOSConfig.h配置文件，需要将其添加到FreeRTOS文件夹下，并在USER文件夹中添加该.h文件，然后包含头文件FreeRTOS，因为这是放在该文件夹中，添加步骤与上述一致。

       

       此时直接编译之后，不会出现错误 !

       4、修改部分宏定义

       此时虽然运行之后，并没有出现编译错误，但是还有一些与中断有关的重要函数需要修改，在FreeRTOSConfig.h添加① #define xPortPendSVHandler ② #define xPortSysTickHandler，③ #define vPortSVCHandler三个宏定义，这三个分别对应 PendSV_Handler-用于出发任务切换操作，SysTick_Handler-用于实现定时功能，SVC_Handler-用于实现系统用调用三个中断函数，当运行之后，会出现函数重定义错误，因为在stm32f10x_it.c文件中已经包含了这三个函数，需要进行删除如下图所示。

          注意：一般经过上面修改之后，就相当于移植成功，可以直接使用了，但是，有的可能并没有实现自己需要的功能，因为上面的中断函数有一些小问题。可以通过下面方法进行改进。

       5、FreeRTOS改进

       上述的三个宏定义中①和③可以直接使用port.c中自带的中断函数，其实上面的原理就是使用的port.c自带的函数，此时但是运行结果并不理想，可以采用自定义第②个函数的方式解决这个问题，具体代码如下。就是在stm32f10x_it.c文件中的函数里自动修改即可。

        这样便可以实现程序正常运行。

extern void xPortSysTickHandler(void);
 
//systick中断服务函数
void SysTick_Handler(void)
{	
    #if (INCLUDE_xTaskGetSchedulerState  == 1 )
      if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED)
      {
    #endif  /* INCLUDE_xTaskGetSchedulerState */  
        xPortSysTickHandler();
    #if (INCLUDE_xTaskGetSchedulerState  == 1 )
      }
    #endif  /* INCLUDE_xTaskGetSchedulerState */
}

总结

        通过上述步骤之后，便可以使用实时操作系统（FreeRTOS）实现多任务运行，下面代码适用于实现LED灯循环执行的两个任务，可以将程序烧录到开发板查看效果。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
 
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"   // 使用队列的头文件
#include "stdio.h"   // c函数标准库的头文件
 
int task1flagrun = 0;
int task2flagrun = 0;
 
void vTask1(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		task1flagrun = 1;
		task2flagrun = 0;
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
		vTaskDelay(1000);
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
		vTaskDelay(1000);
		
	}
}
 
void vTask2(void *pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		task1flagrun = 0;
		task2flagrun = 1;
		GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);
		vTaskDelay(500);
		GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_1);
		vTaskDelay(500);
	}
}
 
 
 
int main(void){
 
	
	LED_Init();
	
	
	
	xTaskCreate(vTask1,"LED1",128,NULL,1,NULL);
	xTaskCreate(vTask2,"LED2",128,NULL,1,NULL);
	
	//启动任务调度器
	vTaskStartScheduler();
	
	// 4、设置低电平，LED灯亮起
//	GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1);
	// 5、也可以GPIO_WriteBit()函数设置高低电平
	// 前两个参数和Set和Reset一样，第三个参数用于清除端口值，和设置端口值
	// 如果参数=Bit_RESET，清除端口值，设置为低电平，灯亮；反之参数=Bit_SET，为高电平，灯灭
//	GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET);
	
	// 6、若是需要实现LED灯闪烁的命令，就需要在While死循环中进行一些设置
	while(1){
		// 点亮 两个函数都可以
//		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
//		Delay_ms(500);  // 延时函数直接调用即可
//	    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_RESET);
//		GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,(BitAction)0);  // 0为低电平
		// 7、这里加延时函数
//		Delay_ms(500);
		
		// 熄灭 
//		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
//		Delay_ms(500);
//	    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,Bit_SET); 如果这里想要直接使用自己定义的参数代替第三个参数，
//		GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_0,(BitAction)1);  // 1为高电平
	//  (BitAction)0 需要加
		
//	    Delay_ms(500);
	
	}
 
}