3.FreeRTOS系统源码移植_freertos移植

目录

一、获取FreeRTOS源代码

二、FreeRTOS系统源码内容

三、FreeRTOS系统源码移植

一、获取FreeRTOS源代码

来FreeRTOS官方网站:https://www.freertos.org/

我这里主要提供的是例程为FreeRTOS的V10.4.6版本

1、进入官网，点击Download FreeRTOS

2、点击Download

二、FreeRTOS系统源码内容

 和我们密切相关的是FreeRTOS内核，我们打开freeRTOS系统内核文件夹

 每个文件夹的内容是

Demo文件夹

        Demo文件夹里面就是FreeRTOS的演示例程，支持多种芯片架构，其中包括F1、F4、F7三种步如下所示，对于入门学习FreeRTOS是十分有帮助的，在FreeRTOS的过程中就可以参考这些演示工程。

Source文件夹 

        Source文件夹是源码的本尊

 接下来，我们看一下每个文件所对应的含义

红色加粗的是必须要添加进去的，其他可用可不用，根据自己的使用需求。

portable文件夹

        FreeRTOS操作系统归根到底是一个软件层面的东西，那FreeRTOS是如何跟硬件练习在一起的呢？

        portable文件夹里面的东西就是桥梁

由于我们使用MDK开发，因此这里重点介绍其中的部分移植文件。

三、FreeRTOS系统源码移植

移植准备：

1、FreeRTOS源码

2、基础工程

移植步骤：

1、添加FreeRTOS源码（将FreeRTOS）源码添加至基础工程、头文件路径等

2、FreeRTOSConfig，添加FreeRTOSconfig.h配置文件

3、修改SYSTEM文件，修改SYSTEM文件中的sys.c、delay.c、usart.c

4、修改中断相关文件，修改Systick中断、SVC中断、PendSV中断。

5、添加应用程序，移植是否成功。

开始移植：

1、添加FreeRTOS 源码

        在基础工程的 Middlewares 文件夹中新建一个 FreeRTOS 子文件夹，如下图所示：

         接着就需要将 FreeRTOS 的源代码添加到刚刚新建的 FreeRTOS 子文件中了。将 FreeRTOS 内核源码的 Source 文件夹下的所有文件添加到工程的 FreeRTOS 文件夹中，如下图所示：

          其中，我们前边介绍到，portable，实际只用到三个文件，其他没用到的，我们可以删除掉

         而在MemMang是我们的内存管理算法，实际我们只用到算法4，即只用到heap_4.c,RVDS是一个软硬件连接桥梁,不同的内核，有不同的文件

2、将文件添加到工程

        打开工程，新建两个文件分组，分别为Middlewares/FreeRTOS_CORE和Middlewares/FreeRTOS_PORT，如下图所示：

        我们将内核的C源码添加到Middlewares/FreeRTOS_CORE，Middlewares/FreeRTOS_PORT分组用于存放FreeRTOS内核的移植文件，需要添加两个文件到这个分组，分别是heap_x.c和port.c。不同的开发板，所移植的port.c文件夹是不同的。

        添加完以后如下图所示：

3、添加头文件路径

        我们总共需要添加两个头文件，一个是FreeRTOS系统的include的头文件，一个是硬件连接的头文件。添加完以后的路径如下图所示：

 4、添加FreeRTOSConfig.h文件

        FreeRTOSConfig.h是FreeRTOS操作系统的配置文件，FreeRTOS操作系统是可裁剪的，用户可以根据需求对FreeRTOS进行裁剪，裁剪掉不需要FreeRTOS功能，以此来节约MCU中内存资源。

5、修改SYSTEM文件

        我们分别修改sys.h,delay.h,usart.h

5.1、sys.h

        将#define SYS_SUPPORT_OS         1中的1修改成0

/**
 * SYS_SUPPORT_OS用于定义系统文件夹是否支持OS
 * 0,不支持OS
 * 1,支持OS
 */
#define SYS_SUPPORT_OS         1

5.2、usart.c

        usart.c 文件的修改也很简单，一共有两个地方需要修改，首先就是串口的中断服务函数， 原本在使用 µC/OS 的时候，进入和退出中断需要添加 OSIntEnter()和 OSIntExit()两个函数，这是µC/OS 对于中断的相关处理机制，而 FreeRTOS 中并没有这种机制，因此将这两行代码删除， 修改后串口的中断服务函数如下所示：

/**
 * @brief       串口1中断服务函数
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void USART_UX_IRQHandler(void)
{ 
    uint32_t timeout = 0;
    uint32_t maxDelay = 0x1FFFF;
  
    HAL_UART_IRQHandler(&g_uart1_handle);       /* 调用HAL库中断处理公用函数 */
 
    timeout = 0;
    while (HAL_UART_GetState(&g_uart1_handle) != HAL_UART_STATE_READY) /* 等待就绪 */
    {
        timeout++;                              /* 超时处理 */
        if(timeout > maxDelay)
        {
            break;
        }
    }
     
    timeout=0;
    
    /* 一次处理完成之后，重新开启中断并设置RxXferCount为1 */
    while (HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_handle, (uint8_t *)g_rx_buffer, RXBUFFERSIZE) != HAL_OK)
    {
        timeout++;                              /* 超时处理 */
        if (timeout > maxDelay)
        {
            break;
        }
    }
 
}
 
#endif

        接下来 usart.c 要修改的第二个地方就是导入的头文件，因为在串口的中断服务函数当中已 经删除了 µC/OS 的相关代码，并且也没有使用到 FreeRTOS 的相关代码，因此将 usart.c 中包含 的关于 OS 的头文件删除，要删除的代码如下所示：

/* 如果使用os,则包括下面的头文件即可 */
#if SYS_SUPPORT_OS
#include "os.h"                               /* os 使用 */
#endif

5.3、delay.c

        接下来修改 SYSTEM 文件夹中的最后一个文件——delay.c，delay.c 文件需要改动的地方比 较多，大致可分为三个步骤：删除适用于 µC/OS 但不适用于 FreeRTOS 的相关代码、添加 FreeRTOS 的相关代码、修改部分内容。

(1) 删除适用于 µC/OS 但不适用于 FreeRTOS 的相关代码

        一共需要删除 1 个全局变量、6 个宏定义、3 个函数，这些要删除的代码在使用 µC/OS 的 时候会使用到，但是在使用 FreeRTOS 的时候无需使用，需要删除的代码如下所示：

static uint32_t g_fac_us = 0;       /* us延时倍乘数 */
 
/* 如果SYS_SUPPORT_OS定义了,说明要支持OS了(不限于UCOS) */
#if SYS_SUPPORT_OS
 
/* 添加公共头文件 ( ucos需要用到) */
#include "os.h"
 
/* 定义g_fac_ms变量, 表示ms延时的倍乘数, 代表每个节拍的ms数, (仅在使能os的时候,需要用到) */
static uint16_t g_fac_ms = 0;
 
/*
 *  当delay_us/delay_ms需要支持OS的时候需要三个与OS相关的宏定义和函数来支持
 *  首先是3个宏定义:
 *      delay_osrunning    :用于表示OS当前是否正在运行,以决定是否可以使用相关函数
 *      delay_ostickspersec:用于表示OS设定的时钟节拍,delay_init将根据这个参数来初始化systick
 *      delay_osintnesting :用于表示OS中断嵌套级别,因为中断里面不可以调度,delay_ms使用该参数来决定如何运行
 *  然后是3个函数:
 *      delay_osschedlock  :用于锁定OS任务调度,禁止调度
 *      delay_osschedunlock:用于解锁OS任务调度,重新开启调度
 *      delay_ostimedly    :用于OS延时,可以引起任务调度.
 *
 *  本例程仅作UCOSII的支持,其他OS,请自行参考着移植
 */
/* 支持UCOSII */
#define delay_osrunning     OSRunning           /* OS是否运行标记,0,不运行;1,在运行 */
#define delay_ostickspersec OS_TICKS_PER_SEC    /* OS时钟节拍,即每秒调度次数 */
#define delay_osintnesting  OSIntNesting        /* 中断嵌套级别,即中断嵌套次数 */
 
 
/**
 * @brief     us级延时时,关闭任务调度(防止打断us级延迟)
 * @param     无
 * @retval    无
 */
void delay_osschedlock(void)
{
    OSSchedLock();                      /* UCOSII的方式,禁止调度，防止打断us延时 */
}
 
/**
 * @brief     us级延时时,恢复任务调度
 * @param     无
 * @retval    无
 */
void delay_osschedunlock(void)
{
    OSSchedUnlock();                    /* UCOSII的方式,恢复调度 */
}
 
/**
 * @brief     us级延时时,恢复任务调度
 * @param     ticks: 延时的节拍数
 * @retval    无
 */
void delay_ostimedly(uint32_t ticks)
{
    OSTimeDly(ticks);                               /* UCOSII延时 */
}
 
/**
 * @brief     systick中断服务函数,使用OS时用到
 * @param     ticks : 延时的节拍数  
 * @retval    无
 */  
void SysTick_Handler(void)
{
    /* OS 开始跑了,才执行正常的调度处理 */
    if (delay_osrunning == OS_TRUE)
    {
        /* 调用 uC/OS-II 的 SysTick 中断服务函数 */
        OS_CPU_SysTickHandler();
    }
    HAL_IncTick();
}
#endif

(2) 添加 FreeRTOS 的相关代码

        只 需 要 在 delay.c 文 件 中 使 用 extern 关 键 字 导 入 一 个 FreeRTOS 函 数 — — xPortSysTickHandler()即可，这个函数是用于处理 FreeRTOS 系统时钟节拍的，本教程是使用 SysTick作为FreeRTOS操作系统的心跳，因此需要在SysTick的中断服务函数中调用这个函数， 因此将代码添加到 SysTick 中断服务函数之前，代码修改如下：

void SysTick_Handler(void)
{
   代码省略
}
#endif

(3) 修改部分内容

        最后要修改的内容包括两个，分别是包含头文件和 4 个函数。 首先来看需要修改的 4 个函数，分别是 SysTick_Handler()、delay_init()、delay_us()和 delay_ms()。

(a) SysTick_Handler()

        这个函数是 SysTick 的中断服务函数，需要在这个函数中重复调用上个步骤中导入的函数 xPortSysTickHandler()，代码修改后如下所示：

/**
 * @brief     systick中断服务函数,使用OS时用到
 * @param     ticks: 延时的节拍数
 * @retval    无
 */  
void SysTick_Handler(void)
{
    HAL_IncTick();
    if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED) /* OS开始跑了,才执行正常的调度处理 */
    {
        xPortSysTickHandler();
    }
}

 (b) delay_init()

         函 数 delay_init() 主要用于初始化 SysTick 。 这 里 要 说 明 的 是 ， 在 后 续 调 用 函 数 vTaskStartScheduler()（这个函数在下文中讲解到 FreeRTOS 任务调度器的时候会具体分析）的 时候，FreeRTOS 会按照 FreeRTOSConfig.h 文件的配置对 SysTick 进行初始化，因此 delay_init() 函数初始化的 SysTick 主要使用在 FreeRTOS 开始任务调度之前。函数 delay_init()要修改的部分主要为 SysTick 的重装载值以及删除不用的代码，代码修改如下：

void delay_init(uint16_t sysclk)
{
#if SYS_SUPPORT_OS                                      /* 如果需要支持OS */
    uint32_t reload;
#endif
    HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);/* SYSTICK使用内核时钟源,同CPU同频率 */
    g_fac_us = sysclk;                                  /* 不论是否使用OS,g_fac_us都需要使用 */
#if SYS_SUPPORT_OS                                      /* 如果需要支持OS. */
    reload = sysclk;                                    /* 每秒钟的计数次数 单位为M */
    reload *= 1000000 / configTICK_RATE_HZ;             /* 根据delay_ostickspersec设定溢出时间,reload为24位
                                                           寄存器,最大值:16777216,在168M下,约合0.099s左右 */
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;          /* 开启SYSTICK中断 */
    SysTick->LOAD = reload;                             /* 每1/delay_ostickspersec秒中断一次 */
    SysTick->CTRL |= SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;           /* 开启SYSTICK */
#endif 
}

(c) delay_us()

        函数 delay_us()用于微秒级的 CPU 忙延时，原本的函数 delay_us()延时的前后加入了自定义 函数 delay_osschedlock()和 delay_osschedunlock()用于锁定和解锁 µC/OS 的任务调度器，以此来 让延时更加准确。在 FreeRTOS 中可以不用加入这两个函数，但是要注意的是，这会让函数 delay_us()的微秒级延时的精度有所下降，函数 delay_us()修改后的代码如下所示：

void delay_us(uint32_t nus)
{
    uint32_t ticks;
    uint32_t told, tnow, tcnt = 0;
    uint32_t reload = SysTick->LOAD;        /* LOAD的值 */
    
    ticks = nus * g_fac_us;                 /* 需要的节拍数 */
    told = SysTick->VAL;                    /* 刚进入时的计数器值 */
    while (1)
    {
        tnow = SysTick->VAL;
        if (tnow != told)
        {
            if (tnow < told)
            {
                tcnt += told - tnow;        /* 这里注意一下SYSTICK是一个递减的计数器就可以了 */
            }
            else
            {
                tcnt += reload - tnow + told;
            }
            told = tnow;
            if (tcnt >= ticks) 
            {
                break;                      /* 时间超过/等于要延迟的时间,则退出 */
            }
        }
    }
} 

 (d) delay_ms()

        函数 delay_ms()用于毫秒级的 CPU 忙延时，原本的函数 delay_ms()会判断 µC/OS 是否运 行，如果 µC/OS 正在运行的话，就使用 µC/OS 的 OS 延时进行毫秒级的延时，否则就调用函数 delay_us()进行毫秒级的 CPU 忙延时。在 FreeRTOS 中，可以将函数 delay_ms()定义为只进行 CPU 忙延时，当需要 OS 延时的时候，调用 FreeRTOS 提供的 OS 延时函数 vTaskDelay()（在下 文讲解 FreeRTOS 时间管理的时候会对此函数进行分析）进行系统节拍级延时，函数 delay_ms() 修改后的代码如下所示：

void delay_ms(uint16_t nms)
{
    uint32_t i;
 
    for (i=0; i<nms; i++)
    {
        delay_us(1000);
    }
}

(e) 包含头文

        根据上述步骤的修改，delay.c 文件中使用到了 FreeRTOS 的相关函数，因此就需要在 delay.c 文件中包含 FreeRTOS 的相关头文件，并且移除掉原本存在的 µC/OS 相关头文件。先看一下修 改前 delay.c 文件中包含的 µC/OS 相关的头文件：

/* 添加公共头文件 (FreeRTOS 需要用到) */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

5.5、修改中断定时器函数

        在 FreeRTOS 的移植过程中会这几到三个重要的中断，分别是 FreeRTOS 系统时基定时器 的中断（SysTick 中断）、SVC 中断、PendSV 中断（SVC 中断和 PendSV 中断在下文讲解 FreeRTOS 中断和 FreeRTOS 任务切换的时候会具体分析），这三个中断的中断服务函数在 HAL 库提供的 文件中都有定义，对于正点原子不同的 STM32 开发板，对应了不同的文件，具体对应关系如下 表所示：

        其中，SysTick 的中断服务函数在 delay.c 文件中已经定义了，并且 FreeRTOS 也提供了 SVC 和 PendSV 的中断服务函数，因此需要将 HAL 库提供的这三个中断服务函数注释掉，这里采用 宏开关的方式让 HAL 库中的这三个中断服务函数不加入编译，使用的宏在 sys.h 中定义，因此 还需要导入 sys.h 头文件，参照上表进行找到对应的文件进行修改，修改后的代码如下所示：

/*导入sys.h头文件*/
#include "./SYSTEM/SYS/sys.h"
 
#if(!SYS_SUPPORT_OS)
void SVC_Handler(void)
{
}
#endif
 
 
#if(!SYS_SUPPORT_OS)
void PendSV_Handler(void)
{
}
#endif
 
#if(!SYS_SUPPORT_OS)
void SysTick_Handler(void)
{
  HAL_IncTick();
}
#endif

        最后，也是移植 FreeRTOS 要修改的最后一个地方，FreeRTOSConfig.h 文件中有如下定义： #define configPRIO_BITS __NVIC_PRIO_BITS

        我们需要将

#define __NVIC_PRIO_BITS 4U

        修改成

#define __NVIC_PRIO_BITS 4

5.6、可选步骤

        这个步骤是可选的，但是笔者强烈建议读者完成，因为在后续实验中会使用到，并且规范 工程。本小节可分为 3 个小部分，分别为修改工程目标名、移除 USMART 调试组件、添加定时 器驱动。

1、修改工程目标名称

        将之前的基础工程名称修改成FreeRTOS

 2、移除 USMART 调试组件

 

 3、添加定时器驱动

        由于在后续的实验中需要使用到 STM32 的基本定时器外设，因此需要向工程中添加定时 器的相关驱动文件。

5.7、添加应用程序

        移植好 FreeRTOS 之后，当然要测试一下移植是否成功。在本步骤中，一共需要修改 1 个 文件并添加 2 个文件，修改的 1 个文件为 main.c，添加的 2 个文件为 freertos_demo.c 和 freertos_demo.h。对于 main.c 主要是在 main()函数中完成一些硬件的初始化，最后调用 freertos_demo.c 文件中的 freertos_demo()函数。而 freertos_demo.c 则是用于编写 FreeRTOS 的相 关应用程序代码。

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/SRAM/sram.h"
#include "./MALLOC/malloc.h"
#include "freertos_demo.h"
int main(void)
{
 HAL_Init(); /* 初始化 HAL 库 */
 sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
 delay_init(72); /* 延时初始化 */
 usart_init(115200); /* 串口初始化为 115200 */
 led_init(); /* 初始化 LED */
 lcd_init(); /* 初始化 LCD */
 key_init(); /* 初始化按键 */
 sram_init(); /* SRAM 初始化 */
 my_mem_init(SRAMIN); /* 初始化内部 SRAM 内存池 */
 my_mem_init(SRAMEX); /* 初始化外部 SRAM 内存池 */
 
 freertos_demo(); /* 运行 FreeRTOS 例程 */
}