实时操作系统-1-[FreeRTOS]移植到STM32
下载FreeRTOS V9.0.0源码
在移植之前，我们首先要获取FreeRTOS的官方源码包。这里提供两个下载链接，一个是官网 http://www.freertos.org/ ， 另一个是代码托管网站 https://sourceforge.net/projects/freertos/files/FreeRTOS/ 。 此处我们演示如何在代码托管网站中下载。打开网站链接之后，选择FreeRTOS的V9.0.0版本，尽管现在FreeRTOS的版本已经更新到V10.0.1了，但是我们还是选择V9.0.0，因为它的内核很稳定，并且网上资料很多。V10.0.0及更高的版本是亚马逊收购了FreeRTOS之后才有的，主要添加了一些云端组件，而本书所讲的FreeRTOS是实时内核，采用V9.0.0版本足以满足需求。
打开FreeRTOS的代码托管网站，即可看到FreeRTOS的源码及其版本信息，如图
单击V9.0.0会跳转到版本目录，如图。
这里有zip和exe格式的压缩包，它们都是FreeRTOS的源码，只是压缩格式不一样，所以大小也不一样，这里选择zip格式，单击将会出现下载链接，下载完成并解压后即可得到我们想要的FreeRTOS V9.0.0版本的源码文件，如图所示。
FreeRTOS文件夹内容
FreeRTOS文件夹
FreeRTOS文件夹中包含Demo例程和内核源码（比较重要，我们需要提取该目录下的大部分文件），如图
Free-RTOS文件夹下的Source文件夹中包含的是FreeRTOS内核的源代码，我们移植FreeRTOS时就需要用到这部分源代码；FreeRTOS文件夹下的Demo文件夹中包含了FreeRTOS官方为各个单片机移植好的工程代码，FreeRTOS为了推广自己，会给各种半导体厂商的评估板写好完整的工程程序，这些程序就放在Demo文件夹下，这部分Demo非常有参考价值。我们把FreeRTOS移植到STM32时，头文件FreeRTOSConfig.h就是从这里复制过来的，下面对FreeRTOS的文件夹进行进一步说明。
这里我们再重点分析一下FreeRTOS\Source文件夹下的文件，如图
include和portable文件夹中包含的是Free-RTOS的通用的头文件和C文件，这两部分文件适用于各种编译器和处理器，是通用的。需要移植的头文件和C文件放在portable文件夹中。
打开portable文件夹，可以看到里面很多与编译器相关的文件夹，在不同的编译器中使用不同的支持文件。如图
Keil文件夹中存放的就是我们使用的编译器，打开Keil文件夹时，会看到“See-also-the-RVDS-directory.txt”这样一个显示，其实Keil中的内容与RVDS的内容一样，所以我们只需要RVDS文件夹中的内容。而MemMang文件夹下存放的是与内存管理相关的文件，稍后将具体介绍。
打开RVDS文件夹，其中包含了与各种处理器相关的文件夹，例如涉及我们熟悉的M0、M3、M4等系列。FreeRTOS是软件，单片机是硬件，FreeRTOS要想运行在单片机上，二者必须关联在一起，那么如何关联？还是要通过写代码来关联，这部分关联的文件叫作接口文件，通常用汇编语言和C语言联合编写。这些接口文件都是与硬件密切相关的，不同硬件的接口文件是不一样的，但大同小异。编写这些接口文件的过程叫作移植，移植的过程通常由FreeRTOS和MCU原厂的人来负责，移植好的接口文件就放在RVDS文件夹中，如图
FreeRTOS提供了Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4和Cortex-M7等内核的单片机接口文件，只要是使用了这些内核的MCU都可以使用其中的接口文件。通常网络上出现的“移植某RTOS到某MCU”的教程，其实准确来说，不能够叫移植，应该叫使用官方的移植，因为RTOS官方已经把这些跟硬件相关的接口文件写好了，我们只是使用而已。本章讲的移植也是使用FreeRTOS官方的移植，关于这些底层的移植文件已经在第一部分有非常详细的讲解，这里直接使用即可。此处以ARM_CM3文件夹为例，该文件夹中只有port.c与portmacro.h两个文件，如图
port.c文件中的内容是由FreeRTOS官方的技术人员为Cortex-M3内核的处理器写的接口文件，其核心的上下文切换代码用汇编语言编写而成，对技术人员的要求比较高，刚开始学习时可以先复制过来直接使用，深入学习可以在有一定基础后进行。portmacro.h是port.c文件对应的头文件，主要存放了一些数据类型和宏定义。
MemMang文件夹下存放的是与内存管理相关的文件，总共有5个heap文件以及1个ReadMe说明文件，这5个heap文件在移植时必须用到一个，因为FreeRTOS在创建内核对象时使用的是动态分配内存，而这些动态内存分配的函数是在这几个文件中实现的，不同的分配算法会导致不同的效率与结果，在后文内存管理相关内容中会讲解每个文件的区别。由于现在是初学，所以选择heap-4.c即可，如图
Demo文件夹
这个目录下内容就是 Deme 例程，我们可以直接打开里面的工程文件，各种开发平台的完整 Demo，开发者可以方便的以此搭建出自己的项目，甚至直接使用。FreeRTOS 当然也为 ST 写了很多 Demo，其中就有 F1、F4、F7 等工程，这样子对我们学习 FreeRTOS 是非常方便的，当遇到不懂的直接就可以参考官方的 Demo：
License 文件夹
这里面只有一个许可文件“license.txt”，用 FreeRTOS 做产品的话就需要看看这个文件，但是我们是学习 FreeRTOS，所以暂时不需要理会这个文件。
向裸机添加FreeRTOS源码
首先在我们的STM32 裸机工程模板根目录下新建一个文件夹，命名 为“FreeRTOS”，并且在 FreeRTOS 文件夹下新建两个空文件夹，分别命名为“src”与“port”，src 文件夹用于保存 FreeRTOS 中的核心源文件，也就是我们常说的‘.c 文件’，port 文件夹用于保存内存管理以及处理器架构相关代码，这些代码FreeRTOS 官方已经提供给我们的，直接使用即可，在前面已经说了，FreeRTOS是软件，我们的开发版是硬件，软硬件必须有桥梁来连接，这些与处理器架构相关的代码，可以称之为 RTOS 硬件接口层，它们位于 FreeRTOS/Source/Portable 文件夹下。
打开 FreeRTOS V9.0.0 源码，在“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Source”目录下找到所有的‘.c 文件’：
打开 FreeRTOS V9.0.0 源码，在“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Source\portable”目录下找到“MemMang”文件夹与“RVDS”文件夹，将它们拷贝到我们新建的 port 文件夹中，具体见：
打开 FreeRTOS V9.0.0 源码，在“FreeRTOSv9.0.0\ FreeRTOS\Source”目录下找到“include”文件夹，它是我们需要用到 FreeRTOS 的一些头文件，将它直接拷贝到我们新建的 FreeRTOS 文件夹中，完成这一步之后就可以看到我们新建的 FreeRTOS 文件夹已经有 3 个文件夹，这 3个文件夹就包含 FreeRTOS 的核心文件，至此，FreeRTOS 的源码就提取完成：
拷贝 FreeRTOSConfig.h 文件到 user 文件夹
FreeRTOSConfig.h 文件是 FreeRTOS 的工程配置文件，因为 FreeRTOS 是可以裁剪的实时操作内核，应用于不同的处理器平台，用户可以通过修改这个 FreeRTOS 内核的配置头文件来裁剪 FreeRTOS 的功能，所以我们把它拷贝一份放在 user 这个文件夹下面。
打开 FreeRTOSv9.0.0 源码，在“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Demo”文件夹下面找到“ CORTEX_STM32F103_Keil ” 这个文件夹 ，双击打开 ， 在其根目录下找到这个“FreeRTOSConfig.h”文件，然后拷贝到我们工程的 user 文件夹下即可，等下我们需要对这个文件进行修改。user 文件夹，见名知义我们就可以知道里面存放的文件都是用户自己编写的。
添加 FreeRTOS 源码到工程组文件夹
在上一步我们只是将 FreeRTOS 的源码放到了本地工程目录下，还没有添加到开发环境里面的组文件夹里面，FreeRTOS 也就没有移植到我们的工程中去。
新建 FreeRTOS/src 和 FreeRTOS/port 组
接下来我们在开发环境里面新建 FreeRTOS/src 和 FreeRTOS/port 两个组文件夹：
其中FreeRTOS/src 用于存放 src 文件夹的内容：
FreeRTOS/port 用于存放 port\MemMang 文件夹与 port\RVDS\ARM_CM3文件夹的内容：
添加完成如下：
再将FreeRTOSConfig.h文件，放到user文件夹下：
指定 FreeRTOS 头文件的路径
FreeRTOS 的源码已经添加到开发环境的组文件夹下面，编译的时候需要为这些源文件指定头文件的路径，不然编译会报错。FreeRTOS 的源码里面只有 FreeRTOS\include 和 FreeRTOS\port\RVDS\ARM_CM3这两个文件夹下面有头文件，只需要将这两个头文件的路径在开发环境里面指定即可。同时我们还将 FreeRTOSConfig.h 这个头文件拷贝到了工程根目录下的 user 文件夹下，所以 user 的路径也要加到开发环境里面：
修改 FreeRTOSConfig.h
FreeRTOSConfig.h 是直接从 demo 文件夹下面拷贝过来的，该头文件对裁剪整个 FreeRTOS 所需的功能的宏均做了定义，有些宏定义被使能，有些宏定义被失能，一开始我们只需要配置最简单的功能即可。要想随心所欲的配置 FreeRTOS 的功能，我们必须对这些宏定义的功能有所掌握，下面我们先简单的介绍下这些宏定义的含义，然后再对这些宏定义进行修改。
/*
FreeRTOS V9.0.0 - Copyright (C) 2016 Real Time Engineers Ltd.
All rights reserved
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This file is part of the FreeRTOS distribution.
FreeRTOS is free software; you can redistribute it and/or modify it under
the terms of the GNU General Public License (version 2) as published by the
Free Software Foundation >>>> AND MODIFIED BY <<<< the FreeRTOS exception.
***************************************************************************
>>! NOTE: The modification to the GPL is included to allow you to !<<
>>! distribute a combined work that includes FreeRTOS without being !<<
>>! obliged to provide the source code for proprietary components !<<
>>! outside of the FreeRTOS kernel. !<<
***************************************************************************
FreeRTOS is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
FOR A PARTICULAR PURPOSE. Full license text is available on the following
link: http://www.freertos.org/a00114.html
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* *
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* robust, strictly quality controlled, supported, and cross *
* platform software that is more than just the market leader, it *
* is the industry's de facto standard. *
* *
* Help yourself get started quickly while simultaneously helping *
* to support the FreeRTOS project by purchasing a FreeRTOS *
* tutorial book, reference manual, or both: *
* http://www.FreeRTOS.org/Documentation *
* *
***************************************************************************
http://www.FreeRTOS.org/FAQHelp.html - Having a problem? Start by reading
the FAQ page "My application does not run, what could be wrong?". Have you
defined configASSERT()?
http://www.FreeRTOS.org/support - In return for receiving this top quality
embedded software for free we request you assist our global community by
participating in the support forum.
http://www.FreeRTOS.org/training - Investing in training allows your team to
be as productive as possible as early as possible. Now you can receive
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Ltd, and the world's leading authority on the world's leading RTOS.
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including FreeRTOS+Trace - an indispensable productivity tool, a DOS
compatible FAT file system, and our tiny thread aware UDP/IP stack.
http://www.FreeRTOS.org/labs - Where new FreeRTOS products go to incubate.
Come and try FreeRTOS+TCP, our new open source TCP/IP stack for FreeRTOS.
http://www.OpenRTOS.com - Real Time Engineers ltd. license FreeRTOS to High
Integrity Systems ltd. to sell under the OpenRTOS brand. Low cost OpenRTOS
licenses offer ticketed support, indemnification and commercial middleware.
http://www.SafeRTOS.com - High Integrity Systems also provide a safety
engineered and independently SIL3 certified version for use in safety and
mission critical applications that require provable dependability.
*/
#ifndef FREERTOS_CONFIG_H
#define FREERTOS_CONFIG_H
#include "stm32f10x.h"
#include "Usart.h"
//针对不同的编译器调用不同的stdint.h文件
#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)
#include <stdint.h>
extern uint32_t SystemCoreClock;
#endif
//断言
#define vAssertCalled(char,int) printf("Error:%s,%d\r\n",char,int)
#define configASSERT(x) if((x)==0) vAssertCalled(__FILE__,__LINE__)
/************************************************************************
* FreeRTOS基础配置配置选项
*********************************************************************/
/* 置1：RTOS使用抢占式调度器；置0：RTOS使用协作式调度器（时间片）
*
* 注：在多任务管理机制上，操作系统可以分为抢占式和协作式两种。
* 协作式操作系统是任务主动释放CPU后，切换到下一个任务。
* 任务切换的时机完全取决于正在运行的任务。
*/
#define configUSE_PREEMPTION 1
//1使能时间片调度(默认式使能的)
#define configUSE_TIME_SLICING 1
/* 某些运行FreeRTOS的硬件有两种方法选择下一个要执行的任务：
* 通用方法和特定于硬件的方法（以下简称“特殊方法”）。
*
* 通用方法：
* 1.configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 为 0 或者硬件不支持这种特殊方法。
* 2.可以用于所有FreeRTOS支持的硬件
* 3.完全用C实现，效率略低于特殊方法。
* 4.不强制要求限制最大可用优先级数目
* 特殊方法：
* 1.必须将configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION设置为1。
* 2.依赖一个或多个特定架构的汇编指令（一般是类似计算前导零[CLZ]指令）。
* 3.比通用方法更高效
* 4.一般强制限定最大可用优先级数目为32
* 一般是硬件计算前导零指令，如果所使用的，MCU没有这些硬件指令的话此宏应该设置为0！
*/
#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 1
/* 置1：使能低功耗tickless模式；置0：保持系统节拍（tick）中断一直运行
* 假设开启低功耗的话可能会导致下载出现问题，因为程序在睡眠中,可用以下办法解决
*
* 下载方法：
* 1.将开发版正常连接好
* 2.按住复位按键，点击下载瞬间松开复位按键
*
* 1.通过跳线帽将 BOOT 0 接高电平(3.3V)
* 2.重新上电，下载
*
* 1.使用FlyMcu擦除一下芯片，然后进行下载
* STMISP -> 清除芯片(z)
*/
#define configUSE_TICKLESS_IDLE 0
/*
* 写入实际的CPU内核时钟频率，也就是CPU指令执行频率，通常称为Fclk
* Fclk为供给CPU内核的时钟信号，我们所说的cpu主频为 XX MHz，
* 就是指的这个时钟信号，相应的，1/Fclk即为cpu时钟周期；
*/
#define configCPU_CLOCK_HZ (SystemCoreClock)
//RTOS系统节拍中断的频率。即一秒中断的次数，每次中断RTOS都会进行任务调度
#define configTICK_RATE_HZ (( TickType_t )1000)
//可使用的最大优先级
#define configMAX_PRIORITIES (32)
//空闲任务使用的堆栈大小
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ((unsigned short)128)
//任务名字字符串长度
#define configMAX_TASK_NAME_LEN (16)
//系统节拍计数器变量数据类型，1表示为16位无符号整形，0表示为32位无符号整形
#define configUSE_16_BIT_TICKS 0
//空闲任务放弃CPU使用权给其他同优先级的用户任务
#define configIDLE_SHOULD_YIELD 1
//启用队列
#define configUSE_QUEUE_SETS 0
//开启任务通知功能，默认开启
#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 1
//使用互斥信号量
#define configUSE_MUTEXES 0
//使用递归互斥信号量
#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 0
//为1时使用计数信号量
#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 0
/* 设置可以注册的信号量和消息队列个数 */
#define configQUEUE_REGISTRY_SIZE 10
#define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG 0
/*****************************************************************
FreeRTOS与内存申请有关配置选项
*****************************************************************/
//支持动态内存申请
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1
//支持静态内存
#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 0
//系统所有总的堆大小
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)(36*1024))
/***************************************************************
FreeRTOS与钩子函数有关的配置选项
**************************************************************/
/* 置1：使用空闲钩子（Idle Hook类似于回调函数）；置0：忽略空闲钩子
*
* 空闲任务钩子是一个函数，这个函数由用户来实现，
* FreeRTOS规定了函数的名字和参数：void vApplicationIdleHook(void )，
* 这个函数在每个空闲任务周期都会被调用
* 对于已经删除的RTOS任务，空闲任务可以释放分配给它们的堆栈内存。
* 因此必须保证空闲任务可以被CPU执行
* 使用空闲钩子函数设置CPU进入省电模式是很常见的
* 不可以调用会引起空闲任务阻塞的API函数
*/
#define configUSE_IDLE_HOOK 0
/* 置1：使用时间片钩子（Tick Hook）；置0：忽略时间片钩子
*
*
* 时间片钩子是一个函数，这个函数由用户来实现，
* FreeRTOS规定了函数的名字和参数：void vApplicationTickHook(void )
* 时间片中断可以周期性的调用
* 函数必须非常短小，不能大量使用堆栈，
* 不能调用以”FromISR" 或 "FROM_ISR”结尾的API函数
*/
/*xTaskIncrementTick函数是在xPortSysTickHandler中断函数中被调用的。因此，vApplicationTickHook()函数执行的时间必须很短才行*/
#define configUSE_TICK_HOOK 0
//使用内存申请失败钩子函数
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 0
/*
* 大于0时启用堆栈溢出检测功能，如果使用此功能
* 用户必须提供一个栈溢出钩子函数，如果使用的话
* 此值可以为1或者2，因为有两种栈溢出检测方法 */
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 0
/********************************************************************
FreeRTOS与运行时间和任务状态收集有关的配置选项
**********************************************************************/
//启用运行时间统计功能
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 0
//启用可视化跟踪调试
#define configUSE_TRACE_FACILITY 0
/* 与宏configUSE_TRACE_FACILITY同时为1时会编译下面3个函数
* prvWriteNameToBuffer()
* vTaskList(),
* vTaskGetRunTimeStats()
*/
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
/********************************************************************
FreeRTOS与协程有关的配置选项
*********************************************************************/
//启用协程，启用协程以后必须添加文件croutine.c
#define configUSE_CO_ROUTINES 0
//协程的有效优先级数目
#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 )
/***********************************************************************
FreeRTOS与软件定时器有关的配置选项
**********************************************************************/
//启用软件定时器
#define configUSE_TIMERS 0
//软件定时器优先级
#define configTIMER_TASK_PRIORITY (configMAX_PRIORITIES-1)
//软件定时器队列长度
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH 10
//软件定时器任务堆栈大小
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH (configMINIMAL_STACK_SIZE*2)
/************************************************************
FreeRTOS可选函数配置选项
************************************************************/
#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 0
//#define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle 1
//#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark 0
//#define INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle 0
/******************************************************************
FreeRTOS与中断有关的配置选项
******************************************************************/
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
#define configPRIO_BITS __NVIC_PRIO_BITS
#else
#define configPRIO_BITS 4
#endif
//中断最低优先级
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY 15
//系统可管理的最高中断优先级
#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与中断服务函数有关的配置选项
****************************************************************/
#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler
#define vPortSVCHandler SVC_Handler
/* 以下为使用Percepio Tracealyzer需要的东西，不需要时将 configUSE_TRACE_FACILITY 定义为 0 */
#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
#include "trcRecorder.h"
#define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle 1 // 启用一个可选函数（该函数被 Trace源码使用，默认该值为0 表示不用）
#endif
#endif /* FREERTOS_CONFIG_H */
浙公网安备 33010602011771号