超詳細的FreeRTOS移植全教程——基於srm32
- 2019 年 10 月 15 日
- 筆記
準備
在移植之前，我們首先要獲取到FreeRTOS的官方的源碼包。這裡我們提供兩個下載鏈接:
一個是官網：http://www.freertos.org/
另外一個是代碼託管網站：https://sourceforge.net/projects/freertos/files/FreeRTOS/
這裡我們演示如何在代碼託管網站裏面下載。打開網站鏈接之後，我們選擇FreeRTOS的最新版本V9.0.0（2016年），儘管現在FreeRTOS的版本已經更新到V10.0.1了，但是我們還是選擇V9.0.0，因為內核很穩定，並且網上資料很多，因為V10.0.0版本之後是亞馬遜收購了FreeRTOS之後才出來的版本，主要添加了一些雲端組件，我們本書所講的FreeRTOS是實時內核，採用V9.0.0版本足以。
簡單介紹FreeRTOS
FreeRTOS包含Demo例程和內核源碼（比較重要，我們就需要提取該目錄下的大部分文件）。
Source文件夾裏面包含的是FreeRTOS內核的源代碼，我們移植FreeRTOS的時候就需要這部分源代碼；
Demo 文件夾裏面包含了FreeRTOS官方為各個單片機移植好的工程代碼，FreeRTOS為了推廣自己，會給各種半導體廠商的評估板寫好完整的工程程序，這些程序就放在Demo這個目錄下，這部分Demo非常有參考價值。
Source文件夾
這裡我們再重點分析下FreeRTOS/ Source文件夾下的文件，①和③包含的是FreeRTOS的通用的頭文件和C文件，這兩部分的文件試用於各種編譯器和處理器，是通用的。需要移植的頭文件和C文件放在②portblle這個文件夾。
portblle文件夾，是與編譯器相關的文件夾，在不同的編譯器中使用不同的支持文件。①中的KEIL就是我們就是我們使用的編譯器，其實KEIL裏面的內容跟RVDS裏面的內容一樣，所以我們只需要③RVDS文件夾裏面的內容即可，裏面包含了各種處理器相關的文件夾，從文件夾的名字我們就非常熟悉了，我們學習的STM32有M0、M3、M4等各種系列，FreeRTOS是一個軟件，單片機是一個硬件，FreeRTOS要想運行在一個單片機上面，它們就必須關聯在一起。MemMang文件夾下存放的是跟內存管理相關的源文件。
移植過程
提取源碼
- 首先在我們的STM32裸機工程模板根目錄下新建一個文件夾，命名為「FreeRTOS」，並且在FreeRTOS文件夾下新建兩個空文件夾，分別命名為「src」與「port」，src文件夾用於保存FreeRTOS中的核心源文件，也就是我們常說的『.c文件』，port文件夾用於保存內存管理以及處理器架構相關代碼，這些代碼FreeRTOS官方已經提供給我們的，直接使用即可，在前面已經說了，FreeRTOS是軟件，我們的開發版是硬件，軟硬件必須有橋樑來連接，這些與處理器架構相關的代碼，可以稱之為RTOS硬件接口層，它們位於FreeRTOS/Source/Portable文件夾下。
- 打開FreeRTOS V9.0.0源碼，在「FreeRTOSv9.0.0FreeRTOSSource」目錄下找到所有的『.c文件』，將它們拷貝到我們新建的src文件夾中，
- 打開FreeRTOS V9.0.0源碼，在「FreeRTOSv9.0.0FreeRTOSSourceportable」目錄下找到「MemMang」文件夾與「RVDS」文件夾，將它們拷貝到我們新建的port文件夾中
- 打開FreeRTOS V9.0.0源碼，在「FreeRTOSv9.0.0 FreeRTOSSource」目錄下找到「include」文件夾，它是我們需要用到FreeRTOS的一些頭文件，將它直接拷貝到我們新建的FreeRTOS文件夾中，完成這一步之後就可以看到我們新建的FreeRTOS文件夾已經有3個文件夾，這3個文件夾就包含FreeRTOS的核心文件，至此，FreeRTOS的源碼就提取完成。
添加到工程
添加FreeRTOSConfig.h文件
FreeRTOSConfig.h文件是FreeRTOS的工程配置文件，因為FreeRTOS是可以裁剪的實時操作內核，應用於不同的處理器平台，用戶可以通過修改這個FreeRTOS內核的配置頭文件來裁剪FreeRTOS的功能，所以我們把它拷貝一份放在user這個文件夾下面。
打開FreeRTOSv9.0.0源碼，在「FreeRTOSv9.0.0FreeRTOSDemo」文件夾下面找到「CORTEX_STM32F103_Keil」這個文件夾，雙擊打開，在其根目錄下找到這個「FreeRTOSConfig.h」文件，然後拷貝到我們工程的user文件夾下即可，等下我們需要對這個文件進行修改。
創建工程分組
接下來我們在mdk裏面新建FreeRTOS/src和FreeRTOS/port兩個組文件夾，其中FreeRTOS/src用於存放src文件夾的內容，FreeRTOS/port用於存放portMemMang文件夾 與portRVDSARM_CM3文件夾的內容。
然後我們將工程文件中FreeRTOS的內容添加到工程中去，按照已經新建的分組添加我們的FreeRTOS工程源碼。
在FreeRTOS/port分組中添加MemMang文件夾中的文件只需選擇其中一個即可，我們選擇「heap_4.c」，這是FreeRTOS的一個內存管理源碼文件。
添加完成後：
** 添加頭文件路徑**
FreeRTOS的源碼已經添加到開發環境的組文件夾下面，編譯的時候需要為這些源文件指定頭文件的路徑，不然編譯會報錯。FreeRTOS的源碼裏面只有FreeRTOSinclude和FreeRTOSportRVDSARM_CM3這兩個文件夾下面有頭文件，只需要將這兩個頭文件的路徑在開發環境裏面指定即可。同時我們還將FreeRTOSConfig.h這個頭文件拷貝到了工程根目錄下的user文件夾下，所以user的路徑也要加到開發環境裏面。
修改FreeRTOSConfig.h
FreeRTOSConfig.h是直接從demo文件夾下面拷貝過來的，該頭文件對裁剪整個FreeRTOS所需的功能的宏均做了定義，有些宏定義被使能，有些宏定義被失能，一開始我們只需要配置最簡單的功能即可。要想隨心所欲的配置FreeRTOS的功能，我們必須對這些宏定義的功能有所掌握，下面我們先簡單的介紹下這些宏定義的含義，然後再對這些宏定義進行修改。
#ifndef FREERTOS_CONFIG_H #define FREERTOS_CONFIG_H #include "stm32f10x.h" #include "bsp_usart.h" //針對不同的編譯器調用不同的stdint.h文件 #if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__) #include <stdint.h> extern uint32_t SystemCoreClock; #endif //斷言 #define vAssertCalled(char,int) printf("Error:%s,%drn",char,int) #define configASSERT(x) if((x)==0) vAssertCalled(__FILE__,__LINE__) /************************************************************************ * FreeRTOS基礎配置配置選項 *********************************************************************/ /* 置1：RTOS使用搶佔式調度器；置0：RTOS使用協作式調度器（時間片） * * 註：在多任務管理機制上，操作系統可以分為搶佔式和協作式兩種。 * 協作式操作系統是任務主動釋放CPU後，切換到下一個任務。 * 任務切換的時機完全取決於正在運行的任務。 */ #define configUSE_PREEMPTION 1 //1使能時間片調度(默認式使能的) #define configUSE_TIME_SLICING 1 /* 某些運行FreeRTOS的硬件有兩種方法選擇下一個要執行的任務： * 通用方法和特定於硬件的方法（以下簡稱「特殊方法」）。 * * 通用方法： * 1.configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 為 0 或者硬件不支持這種特殊方法。 * 2.可以用於所有FreeRTOS支持的硬件 * 3.完全用C實現，效率略低於特殊方法。 * 4.不強制要求限制最大可用優先級數目 * 特殊方法： * 1.必須將configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設置為1。 * 2.依賴一個或多個特定架構的彙編指令（一般是類似計算前導零[CLZ]指令）。 * 3.比通用方法更高效 * 4.一般強制限定最大可用優先級數目為32 * 一般是硬件計算前導零指令，如果所使用的，MCU沒有這些硬件指令的話此宏應該設置為0！ */ #define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 1 /* 置1：使能低功耗tickless模式；置0：保持系統節拍（tick）中斷一直運行 * 假設開啟低功耗的話可能會導致下載出現問題，因為程序在睡眠中,可用以下辦法解決 * * 下載方法： * 1.將開發版正常連接好 * 2.按住複位按鍵，點擊下載瞬間鬆開複位按鍵 * * 1.通過跳線帽將 BOOT 0 接高電平(3.3V) * 2.重新上電，下載 * * 1.使用FlyMcu擦除一下芯片，然後進行下載 * STMISP -> 清除芯片(z) */ #define configUSE_TICKLESS_IDLE 0 /* * 寫入實際的CPU內核時鐘頻率，也就是CPU指令執行頻率，通常稱為Fclk * Fclk為供給CPU內核的時鐘信號，我們所說的cpu主頻為 XX MHz， * 就是指的這個時鐘信號，相應的，1/Fclk即為cpu時鐘周期； */ #define configCPU_CLOCK_HZ (SystemCoreClock) //RTOS系統節拍中斷的頻率。即一秒中斷的次數，每次中斷RTOS都會進行任務調度 #define configTICK_RATE_HZ (( TickType_t )1000) //可使用的最大優先級 #define configMAX_PRIORITIES (32) //空閑任務使用的堆棧大小 #define configMINIMAL_STACK_SIZE ((unsigned short)128) //任務名字字符串長度 #define configMAX_TASK_NAME_LEN (16) //系統節拍計數器變量數據類型，1表示為16位無符號整形，0表示為32位無符號整形 #define configUSE_16_BIT_TICKS 0 //空閑任務放棄CPU使用權給其他同優先級的用戶任務 #define configIDLE_SHOULD_YIELD 1 //啟用隊列 #define configUSE_QUEUE_SETS 1 //開啟任務通知功能，默認開啟 #define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 1 //使用互斥信號量 #define configUSE_MUTEXES 1 //使用遞歸互斥信號量 #define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 1 //為1時使用計數信號量 #define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1 /* 設置可以註冊的信號量和消息隊列個數 */ #define configQUEUE_REGISTRY_SIZE 10 #define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG 0 /***************************************************************** FreeRTOS與內存申請有關配置選項 *****************************************************************/ //支持動態內存申請 #define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1 //支持靜態內存 #define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 0 //系統所有總的堆大小 #define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)(36*1024)) /*************************************************************** FreeRTOS與鉤子函數有關的配置選項 **************************************************************/ /* 置1：使用空閑鉤子（Idle Hook類似於回調函數）；置0：忽略空閑鉤子 * * 空閑任務鉤子是一個函數，這個函數由用戶來實現， * FreeRTOS規定了函數的名字和參數：void vApplicationIdleHook(void )， * 這個函數在每個空閑任務周期都會被調用 * 對於已經刪除的RTOS任務，空閑任務可以釋放分配給它們的堆棧內存。 * 因此必須保證空閑任務可以被CPU執行 * 使用空閑鉤子函數設置CPU進入省電模式是很常見的 * 不可以調用會引起空閑任務阻塞的API函數 */ #define configUSE_IDLE_HOOK 0 /* 置1：使用時間片鉤子（Tick Hook）；置0：忽略時間片鉤子 * * * 時間片鉤子是一個函數，這個函數由用戶來實現， * FreeRTOS規定了函數的名字和參數：void vApplicationTickHook(void ) * 時間片中斷可以周期性的調用 * 函數必須非常短小，不能大量使用堆棧， * 不能調用以」FromISR" 或 "FROM_ISR」結尾的API函數 */ /*xTaskIncrementTick函數是在xPortSysTickHandler中斷函數中被調用的。因此，vApplicationTickHook()函數執行的時間必須很短才行*/ #define configUSE_TICK_HOOK 0 //使用內存申請失敗鉤子函數 #define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 0 /* * 大於0時啟用堆棧溢出檢測功能，如果使用此功能 * 用戶必須提供一個棧溢出鉤子函數，如果使用的話 * 此值可以為1或者2，因為有兩種棧溢出檢測方法 */ #define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 0 /******************************************************************** FreeRTOS與運行時間和任務狀態收集有關的配置選項 **********************************************************************/ //啟用運行時間統計功能 #define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 0 //啟用可視化跟蹤調試 #define configUSE_TRACE_FACILITY 0 /* 與宏configUSE_TRACE_FACILITY同時為1時會編譯下面3個函數 * prvWriteNameToBuffer() * vTaskList(), * vTaskGetRunTimeStats() */ #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1 /******************************************************************** FreeRTOS與協程有關的配置選項 *********************************************************************/ //啟用協程，啟用協程以後必須添加文件croutine.c #define configUSE_CO_ROUTINES 0 //協程的有效優先級數目 #define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 ) /*********************************************************************** FreeRTOS與軟件定時器有關的配置選項 **********************************************************************/ //啟用軟件定時器 #define configUSE_TIMERS 1 //軟件定時器優先級 #define configTIMER_TASK_PRIORITY (configMAX_PRIORITIES-1) //軟件定時器隊列長度 #define configTIMER_QUEUE_LENGTH 10 //軟件定時器任務堆棧大小 #define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH (configMINIMAL_STACK_SIZE*2) /************************************************************ FreeRTOS可選函數配置選項 ************************************************************/ #define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState 1 #define INCLUDE_vTaskPrioritySet 1 #define INCLUDE_uxTaskPriorityGet 1 #define INCLUDE_vTaskDelete 1 #define INCLUDE_vTaskCleanUpResources 1 #define INCLUDE_vTaskSuspend 1 #define INCLUDE_vTaskDelayUntil 1 #define INCLUDE_vTaskDelay 1 #define INCLUDE_eTaskGetState 1 #define INCLUDE_xTimerPendFunctionCall 1 //#define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle 1 //#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark 0 //#define INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle 0 /****************************************************************** FreeRTOS與中斷有關的配置選項 ******************************************************************/ #ifdef __NVIC_PRIO_BITS #define configPRIO_BITS __NVIC_PRIO_BITS #else #define configPRIO_BITS 4 #endif //中斷最低優先級 #define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY 15 //系統可管理的最高中斷優先級 #define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5 #define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) ) /* 240 */ #define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) ) /**************************************************************** FreeRTOS與中斷服務函數有關的配置選項 ****************************************************************/ #define xPortPendSVHandler PendSV_Handler #define vPortSVCHandler SVC_Handler /* 以下為使用Percepio Tracealyzer需要的東西，不需要時將 configUSE_TRACE_FACILITY 定義為 0 */ #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 ) #include "trcRecorder.h" #define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle 1 // 啟用一個可選函數（該函數被 Trace源碼使用，默認該值為0 表示不用） #endif #endif /* FREERTOS_CONFIG_H */修改stm32f10x_it.c
SysTick中斷服務函數是一個非常重要的函數，FreeRTOS所有跟時間相關的事情都在裏面處理，SysTick就是FreeRTOS的一個心跳時鐘，驅動着FreeRTOS的運行，就像人的心跳一樣，假如沒有心跳，我們就相當於「死了」，同樣的，FreeRTOS沒有了心跳，那麼它就會卡死在某個地方，不能進行任務調度，不能運行任何的東西，因此我們需要實現一個FreeRTOS的心跳時鐘，FreeRTOS幫我們實現了SysTick的啟動的配置：在port.c文件中已經實現vPortSetupTimerInterrupt()函數，並且FreeRTOS通用的SysTick中斷服務函數也實現了：在port.c文件中已經實現xPortSysTickHandler()函數，所以移植的時候只需要我們在stm32f10x_it.c文件中實現我們對應（STM32）平台上的SysTick_Handler()函數即可。FreeRTOS為開發者考慮得特別多，PendSV_Handler()與SVC_Handler()這兩個很重要的函數都幫我們實現了，在在port.c文件中已經實現xPortPendSVHandler()與vPortSVCHandler()函數，防止我們自己實現不了，那麼在stm32f10x_it.c中就需要我們注釋掉PendSV_Handler()與SVC_Handler()這兩個函數了。
//void SVC_Handler(void) //{ //} //void PendSV_Handler(void) //{ //} extern void xPortSysTickHandler(void); //systick中斷服務函數 void SysTick_Handler(void) { #if (INCLUDE_xTaskGetSchedulerState == 1 ) if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED) { #endif /* INCLUDE_xTaskGetSchedulerState */ xPortSysTickHandler(); #if (INCLUDE_xTaskGetSchedulerState == 1 ) } #endif /* INCLUDE_xTaskGetSchedulerState */ }創建任務
這裡，我們創建一個單任務，任務使用的棧和任務控制塊是在創建任務的時候FreeRTOS動態分配的。
任務必須是一個死循環，否則任務將通過LR返回，如果LR指向了非法的內存就會產生HardFault_Handler，而FreeRTOS指向一個死循環，那麼任務返回之後就在死循環中執行，這樣子的任務是不安全的，所以避免這種情況，任務一般都是死循環並且無返回值的。
並且每個任務循環主體中應該有阻塞任務的函數，否則就會餓死比它優先級更低的任務！！！
/* FreeRTOS頭文件 */ #include "FreeRTOS.h" #include "task.h" /* 開發板硬件bsp頭文件 */ #include "bsp_led.h" static void AppTaskCreate(void);/* AppTask任務 */ /* 創建任務句柄 */ static TaskHandle_t AppTask_Handle = NULL; int main(void) { BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定義一個創建信息返回值，默認為pdPASS */ /* 開發板硬件初始化 */ BSP_Init(); /* 創建AppTaskCreate任務 */ xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTask, /* 任務入口函數 */ (const char* )"AppTask",/* 任務名字 */ (uint16_t )512, /* 任務棧大小 */ (void* )NULL,/* 任務入口函數參數 */ (UBaseType_t )1, /* 任務的優先級 */ (TaskHandle_t* )&AppTask_Handle);/* 任務控制塊指針 */ /* 啟動任務調度 */ if(pdPASS == xReturn) vTaskStartScheduler(); /* 啟動任務，開啟調度 */ else return -1; while(1); /* 正常不會執行到這裡 */ } static void AppTask(void* parameter) { while (1) { LED1_ON; vTaskDelay(500); /* 延時500個tick */ LED1_OFF; vTaskDelay(500); /* 延時500個tick */ } }關注我
更多資料歡迎關注「物聯網IoT開發」公眾號！
