FreeRTOS移植详解

前言

在裸机开发中，我们的程序往往都是写在while(1)的死循环里面，程序的执行顺序是依次从上到下执行的。假设我们while(1)死循环里面有A、B、C三个任务，如下图所示。三个任务依次执行，那么在执行的过程中就存在这么一种现象。下面举几个例子说明这个现象

如果此时A在执行任务，那么B和C就会堵塞，B必须等到A执行完才能执行，C更惨，得等到B执行完后才能执行；
如果此时B在执行任务，那么A和C就会堵塞，C必须等到B执行完才能执行，A风水轮流转，现在轮到它最惨了，它必须得等到C执行完后才能执行；
如果此时C在执行任务，这时候就轮到A等C执行完成，而轮到B最惨了。

那有没有办法，让A、B、C同时执行，或者我不想按照A、B、C这个顺序循环去执行，我想根据实际需求动态去调节这些任务的顺序呢？答案是有的。RTOS（Real Time Operating System）就可以很好的解决上述问题（对于多个任务同时执行问题实际上还是有先后的，只不过因为每个任务等待时间很短，看起来就像同时执行，这一点利用极限的思想就可以很好理解这个问题了）。

RTOS_14">1. FreeRTOS源码初探

RTOS系统有很多，我们这里用的是FreeRTOS。我们直奔主题，这里我们是要在STM32F103C8T6单片机中，将LED点灯程序改成FreeRTOS下发任务完成。我们将尽可能详细的展示具体的实现过程。

RTOS_16">1.1 获取FreeRTOS源代码

这里推荐FreeRTOS官方网站下载。FreeRTOS官方网站：https://www.freertos.org/

进入官网，点击Download FreeRTOS
点击Download（浏览器自动翻译成中文了）

这里我们下载最新的版本。如果不想下载最新版本，可以在 GitHub 下载早期版本。

RTOS_24">1.2 FreeRTOS系统源码内容

下载打开后，文件夹里面的内容如下图所示。文件夹中几个关键的文件具体描述为：

FreeRTOS：FreeRTOS内核
FreeRTOS-Plus：FreeRTOS组件
tools：相关工具
GitHub-FreeRTOS-Home：FreeRTOS的GitHub仓库链接
Quick_Start_Guide：FreeRTOS快速入门官方指导手册
Upgrading-to-FreeRTOS：升级到指定FreeRTOS版本官方文档链接
History：FreeRTOS历史更新记录

在这里插入图片描述
一般来说FreeRTOS有2种移植方式，一种是直接在官方给出Demo中编写自己业务需求代码，一种是将FreeRTOS内核相关文件移植到自己已有的项目中。入门的话，建议采用第一种，这里我们用的是第二种。将FreeRTOS内核相关文件移植到我们的项目中。

RTOS_38">1.3 FreeRTOS文件夹内容

不管采用上面哪一种方法，和我们切相关的是FreeRTOS内核，也即FreeRTOS系统内核文件夹里的内容。以Keil工具下STM32F103芯片为例，它的FreeRTOS的目录如下:

在这里插入图片描述

RTOS_45">2 FreeRTOS移植

2.1 移植准备

准备一个工程模板（这里为自制的LED点亮模板）。
将FreeRTOS文件夹中的Source文件夹复制到工程模板并改名为FreeRTOS。
portable文件夹中只保留keil、MemMang和RVDS这三个文件夹，其他的都可以删除，其他用不到，为了简化，将不需要的删掉。
其实keil文件也可以删除，他们放的txt只是起引导作用，让我们去看RVDS文件夹。MemMang里面放的是内存管理文件。具体想知道各文件的功能，可以参考韦东山的书，其他被删除的文件也可以自行查询其用途。
由于我们的STM32103是M3内核，所以RVDS文件夹我们只保留要用的ARM_CM3文件夹即可，将其他删除。
去FreeRTOS—>Demo—>CORTEX_STM32F103_Keil中复制FreeRTOSConfig.h文件。
将其粘贴至工程文件所在的include文件夹中，顾名思义，FreeRTOSConfig.h文件是用来配置FreeRTOS系统的。

2.2开始移植

Step 1：打开基础工程，创建FreeRTOS_core和FreeRTOS_port文件。
在这里插入图片描述
Step 2：将FreeRTOS所有.c文件添加进FreeRTOS_core。将FreeRTOS—>portable—>RVDS—>ARM_CM3的中port.c文件添加进FreeRTOS_port；将FreeRTOS—>portable—>MemMang中的heap_4.c（管理内存的文件，每个文件的用法，可以去看相关文献）文件添加进FreeRTOS_port。添加完后如下图所示。
在这里插入图片描述

Step 3：添加对应的头文件路径，这里用到两个，如下图所示。

在这里插入图片描述
Step 4：修改FreeRTOSConfig.h文件，在其中添加以下几行

#define vPortSVCHandler SVC_Handler
#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

在这里插入图片描述

这么做的目的是更改底层映射函数（此步也可以通过其他方式完成，但此方法较为简单）。其中vPortSVCHandler，xPortPendSVHandler和xPortSysTickHandler是在port.c文件里面定义的。SVC_Handler，PendSV_Handler和SysTick_Handler在startup_stm32f10x_md.s文件里面进行了定义。这里我们需在stm32f10x_it.c中将这三个函数注释掉。如

在这里插入图片描述
否则程序会卡死在下图所示的位置，大家可以自行实验一下。

Step 5：添加需要用到的头文件

/* Scheduler includes. */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

Step 6：添加时钟代码，没有配置时钟，系统将无法运行

static void prvSetupHardware( void )
{/* Start with the clocks in their expected state. */RCC_DeInit();/* Enable HSE (high speed external clock). */RCC_HSEConfig( RCC_HSE_ON );/* Wait till HSE is ready. */while( RCC_GetFlagStatus( RCC_FLAG_HSERDY ) == RESET ){}/* 2 wait states required on the flash. */*( ( unsigned long * ) 0x40022000 ) = 0x02;/* HCLK = SYSCLK */RCC_HCLKConfig( RCC_SYSCLK_Div1 );/* PCLK2 = HCLK */RCC_PCLK2Config( RCC_HCLK_Div1 );/* PCLK1 = HCLK/2 */RCC_PCLK1Config( RCC_HCLK_Div2 );/* PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz. */RCC_PLLConfig( RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9 );/* Enable PLL. */RCC_PLLCmd( ENABLE );/* Wait till PLL is ready. */while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET){}/* Select PLL as system clock source. */RCC_SYSCLKConfig( RCC_SYSCLKSource_PLLCLK );/* Wait till PLL is used as system clock source. */while( RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08 ){}/* Enable GPIOA, GPIOB, GPIOC, GPIOD, GPIOE and AFIO clocks */RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB |RCC_APB2Periph_GPIOC| RCC_APB2Periph_GPIOD | RCC_APB2Periph_GPIOE | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE );/* SPI2 Periph clock enable */RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );/* Set the Vector Table base address at 0x08000000 */NVIC_SetVectorTable( NVIC_VectTab_FLASH, 0x0 );NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );/* Configure HCLK clock as SysTick clock source. */SysTick_CLKSourceConfig( SysTick_CLKSource_HCLK );}

Step 7：编译0错误0警告，移植成功！！！
在这里插入图片描述

2.3 实验验证

LED灯接在PA0口。成功点亮了，真亮啊！！！
在这里插入图片描述
好了简单的移植就这么结束了。下面是我的main.c文件。

/** * FreeRTOS移植模板—LED灯点亮* 作者：陈小沛* 学院：自动化学院* 地点：广东工业大学* 时间：2024年04月19日* 个人博客：https://blog.csdn.net/weixin_47577143?spm=1011.2415.3001.5343**///单片机头文件
#include "stm32f10x.h"                  // Device header//硬件驱动
#include "Delay.h"#include "LED.h"//C库
#include <string.h>
#include <stdio.h>/* Scheduler includes. */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"/** Configure the clocks, GPIO and other peripherals as required by the demo.*/
static void prvSetupHardware( void );/** Configures the timers and interrupts for the fast interrupt test as* described at the top of this file.*/
extern void vSetupTimerTest( void );//任务1：LED灯点亮
void LED_Task1Function(void * param)
{while (1){LED1_ON();}
}int main(void)
{/*------------------------------------------------模块初始化-------------------------------------------------------------------------*/prvSetupHardware();LED_Init();         //客厅灯（LED初始化）/*-----------------------------------------------------------*//*任务创建** xTaskCreate( vTaskCode, "NAME", STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, &xHandle )** vTaskCode：任务函数   "NAME：任务名称    STACK_SIZE：任务堆栈大小   NULL：传递给任务函数的参数  tskIDLE_PRIORITY：任务优先级  StartTask_Handler：任务句柄 */xTaskCreate(LED_Task1Function, "Task1", 1000, NULL, 0, NULL);/*-----------------------------------------------------------*//*开启任务调度*启动RTOS，其实就是启动“任务管理器”，启动之后任务管理器就开始调度线程*此时pc（程序计数器）就指向某线程的指令，开始多线程并发运行*如果没创建多线程的话，那就只有一个线程*/vTaskStartScheduler(); /*-----------------------------------------------------------*//*由于调用了vTaskStartScheduler之后，PC就指向了线程中的指令，因此vTaskStartScheduler后面代码*并不会被CPU执行，所以vTaskStartScheduler后的代码没有意义*/	while (1);}/*-----------------------------------------------------------*/static void prvSetupHardware( void )
{/* Start with the clocks in their expected state. */RCC_DeInit();/* Enable HSE (high speed external clock). */RCC_HSEConfig( RCC_HSE_ON );/* Wait till HSE is ready. */while( RCC_GetFlagStatus( RCC_FLAG_HSERDY ) == RESET ){}/* 2 wait states required on the flash. */*( ( unsigned long * ) 0x40022000 ) = 0x02;/* HCLK = SYSCLK */RCC_HCLKConfig( RCC_SYSCLK_Div1 );/* PCLK2 = HCLK */RCC_PCLK2Config( RCC_HCLK_Div1 );/* PCLK1 = HCLK/2 */RCC_PCLK1Config( RCC_HCLK_Div2 );/* PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz. */RCC_PLLConfig( RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9 );/* Enable PLL. */RCC_PLLCmd( ENABLE );/* Wait till PLL is ready. */while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET){}/* Select PLL as system clock source. */RCC_SYSCLKConfig( RCC_SYSCLKSource_PLLCLK );/* Wait till PLL is used as system clock source. */while( RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08 ){}/* Enable GPIOA, GPIOB, GPIOC, GPIOD, GPIOE and AFIO clocks */RCC_APB2PeriphClockCmd(	RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB |RCC_APB2Periph_GPIOC| RCC_APB2Periph_GPIOD | RCC_APB2Periph_GPIOE | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE );/* SPI2 Periph clock enable */RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_SPI2, ENABLE );/* Set the Vector Table base address at 0x08000000 */NVIC_SetVectorTable( NVIC_VectTab_FLASH, 0x0 );NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );/* Configure HCLK clock as SysTick clock source. */SysTick_CLKSourceConfig( SysTick_CLKSource_HCLK );}