02.FreeRTOS的移植

FreeRTOS移植到STM32F103ZET6上的详细步骤

1. 移植前的准备工作

• **基础工程：**内存管理部分的例程源码和基本定时器的例程源码
  

  使用实验8 基本定时器和实验36 内存管理两个实验，内存管理实验做为移植的目标文件，为了获得定时器的功能，需要把基本定时器实验部分的TIMER文件夹拷贝到内存管理实验的BSP文件夹里面。

• FreeRTOS源码：

  本例程使用的是FreeRTOS内核源码的版本V10.4.6，即FreeRTOS v2021.00。获取路径：软件资料→FreeRTOS学习资料→FreeRTOSv2202112.00.zip。
  

2. 添加FreeRTOS文件

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：
   

   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：
   

2. 将文件添加到工程

   打开基础工程，新建两个文件分组，分别为Middlewares/FreeRTOS_CORE和Middlewares/FreeRTOS_PORT

   Middlewares/FreeRTOS_CORE：存放FreeRTOS内核C源码文件

   Middlewares/FreeRTOS_PORT：存放FreeRTOS内核的移植文件，分别添加heap_x.c和port.c
   

   然后把相关文件拷贝到这两个路径下：
   

   3. 添加头文件路径

      一个是FreeRTOS/include，另一个是port.c的路径

      

   4. 添加FreeRTOSConfig.h文件

      因为需要对配置文件进行裁剪并且要结合STM32单片机，我们直接从移植好的例程里面拷贝即可

      

3. 修改SYSTEM文件

1. sys.h文件

   sys.h文件的修改很简单，在sys.h文件中使用了宏SYS SUPPORT_OS来定义是否支持OS,因为要支持FreeRTOS,因此应当将宏SYS SUPPORT_OS定义为1，具体修改如下所示：

   修改前：

   /*** 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          0
   

   修改后：

   /*** 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

2. usart.c文件

   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uCOS的时候，进入和退出中断需要添加OSIntEnter()和OSIntExit()两个函数，这是uCOS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：

   修改前：

   void USART_UX_IRQHandler(void)
   {
   #if SYS_SUPPORT_OS                          /* 使用OS */OSIntEnter();    
   #endifHAL_UART_IRQHandler(&g_uart1_handle);   /* 调用HAL库中断处理公用函数 */#if SYS_SUPPORT_OS                          /* 使用OS */OSIntExit();
   #endif}
   

   修改后：

   void USART_UX_IRQHandler(void)
   {HAL_UART_IRQHandler(&g_uart1_handle);   /* 调用HAL库中断处理公用函数 */while (HAL_UART_Receive_IT( &g_uart1_handle,(uint8_t *)g_rx_buffer,RXBUFFERSIZE) != HAL_OK)/* 重新开启中断并接收数据 */{/* 如果出错会卡死在这里 */}}
   

   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uCOS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 "includes.h" /* os 使用 */
   #endif
   

3. delay.c文件

   （1）删除适用于 µC/OS 但不适用于 FreeRTOS 的相关代码：

   /* 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 和 UCOSIII 的支持,其他 OS,请自行参考着移植
   */
   /* 支持 UCOSII */
   #ifdef OS_CRITICAL_METHOD /* OS_CRITICAL_METHOD 定义了* 说明要支持 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 */
   #endif
   /* 支持 UCOSIII */
   #ifdef CPU_CFG_CRITICAL_METHOD /* CPU_CFG_CRITICAL_METHOD 定义了* 说明要支持 UCOSIII*/
   #define delay_osrunning OSRunning /* OS 是否运行标记,0,不运行;1,在运行 */
   #define delay_ostickspersec OSCfg_TickRate_Hz /* OS 时钟节拍,即每秒调度次数 */
   #define delay_osintnesting OSIntNestingCtr /* 中断嵌套级别,即中断嵌套次数 */
   #endif
   /**
   * @brief us 级延时时,关闭任务调度(防止打断 us 级延迟)
   * @param 无
   * @retval 无
   */
   static void delay_osschedlock(void)
   {
   #ifdef CPU_CFG_CRITICAL_METHOD /* 使用 UCOSIII */OS_ERR err;OSSchedLock(&err); /* UCOSIII 的方式,禁止调度，防止打断 us 延时 */
   #else /* 否则 UCOSII */OSSchedLock(); /* UCOSII 的方式,禁止调度，防止打断 us 延时 */
   #endif
   }
   /**
   * @brief us 级延时时,恢复任务调度
   * @param 无
   * @retval 无
   */
   static void delay_osschedunlock(void)
   {
   #ifdef CPU_CFG_CRITICAL_METHOD /* 使用 UCOSIII */OS_ERR err;OSSchedUnlock(&err); /* UCOSIII 的方式,恢复调度 */
   #else /* 否则 UCOSII */OSSchedUnlock(); /* UCOSII 的方式,恢复调度 */
   #endif
   }
   /**
   * @brief us 级延时时,恢复任务调度
   * @param ticks: 延时的节拍数
   * @retval 无
   */
   static void delay_ostimedly(uint32_t ticks)
   {
   #ifdef CPU_CFG_CRITICAL_METHODOS_ERR err;OSTimeDly(ticks, OS_OPT_TIME_PERIODIC, &err); /* UCOSIII 延时采用周期模式 */
   #elseOSTimeDly(ticks); /* UCOSII 延时 */
   #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函数一 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：

   extern void xPortSysTickHandler(void);
   

   （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。

   包含头文件：

   //修改前：
   #include "includes.h"
   //修改后： 
   #include "FreeRTOS.h"
   #include "task.h"
   

   4个函数：

   (1) SysTick_Handler()

   修改前：

   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();
   }
   

   修改后：

   void SysTick_Handler(void)
   {HAL_IncTick();if(xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED){xPortSysTickHandler();}
   }
   

   (2) delay_init()

   修改前：

   void delay_init(uint16_t sysclk)
   {
   #if SYS_SUPPORT_OS                                      /* 如果需要支持OS */uint32_t reload;
   #endifg_fac_us = sysclk;                                  /* 由于在HAL_Init中已对systick做了配置，所以这里无需重新配置 */
   #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 / delay_ostickspersec;            /* 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0.09986s左右*/g_fac_ms = 1000 / delay_ostickspersec;              /* 代表OS可以延时的最少单位 */SysTick->CTRL |= 1 << 1;                            /* 开启SYSTICK中断 */SysTick->LOAD = reload;                             /* 每1/delay_ostickspersec秒中断一次 */SysTick->CTRL |= 1 << 0;                            /* 开启SYSTICK */
   #endif 
   }
   

   修改后：

   void delay_init(uint16_t sysclk)
   {
   #if SYS_SUPPORT_OS                                      /* 如果需要支持OS */uint32_t reload;
   #endifSysTick->CTRL = 0;HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK_DIV8);g_fac_us = sysclk / 8;                                  /* 由于在HAL_Init中已对systick做了配置，所以这里无需重新配置 */#if SYS_SUPPORT_OS                                      /* 如果需要支持OS. */reload = sysclk / 8;                                    /* 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0.09986s左右*/             /* 代表OS可以延时的最少单位 */SysTick->CTRL |= 1 << 1;                            /* 开启SYSTICK中断 */SysTick->LOAD = reload;                             /* 每1/delay_ostickspersec秒中断一次 */SysTick->CTRL |= 1 << 0;                            /* 开启SYSTICK */
   #endif 
   }
   

   (3) delay_us()

   修改前：

   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 */#if SYS_SUPPORT_OS                          /* 如果需要支持OS */delay_osschedlock();                    /* 锁定 OS 的任务调度器 */
   #endiftold = 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 */}}}#if SYS_SUPPORT_OS                          /* 如果需要支持OS */delay_osschedunlock();                  /* 恢复 OS 的任务调度器 */
   #endif }
   

   修改后：

   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 */}}}
   }
   

   (4) delay_ms()

   修改前：

   void delay_ms(uint16_t nms)
   {#if SYS_SUPPORT_OS  /* 如果需要支持OS, 则根据情况调用os延时以释放CPU */if (delay_osrunning && delay_osintnesting == 0)     /* 如果OS已经在跑了,并且不是在中断里面(中断里面不能任务调度) */{if (nms >= g_fac_ms)                            /* 延时的时间大于OS的最少时间周期 */{delay_ostimedly(nms / g_fac_ms);            /* OS延时 */}nms %= g_fac_ms;                                /* OS已经无法提供这么小的延时了,采用普通方式延时 */}
   #endifdelay_us((uint32_t)(nms * 1000));                   /* 普通方式延时 */
   }
   

   修改后：

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

4. 修改中断相关文件

FreeRTOS系统时基定时器的中断(SysTick中断)、SVC中断、PendSV中断。
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Sysh头文件，请读者按照表2.1.4.1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"/* 加入宏开关 */
#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

5. 修改FreeRTOSConfig.h文件

在FreeRTOSConfig.h中

#define   configPRIO_BITS   __NVIC_PRIO_BITS

在stm32f103xe.h文件中修改：

#define __NVIC_PRIO_BITS   4U

为：

#define __NVIC_PRIO_BITS   4

6. 可选步骤

1. 修改工程目标名称：

   本教程是以标准例程-HAL库版本的内存管理实验工程为基础工程，内存管理实验工程的工程日标名为“MALLOC”,为了规范工程，笔者建议将工程目标名修改为“FreeRTOS”或根据读者的实际场景进行修改，修改如下图所示：
   

2. 移出USMART调试组件：

   由于本教程并未使用到USMART调试组件，因此建议将USMART调试组件从工程中移除，如果读者需要使用USMART调试组件的话，也可选择保留，移除USAMRT调试组建后工程文件分组如下图所示（这里以正点原子的STM32F1系列开发板为例，其他开发板类似），修改后文件组为：
   

3. 添加定时器驱动：

   由于在后续的实验中需要使用到$TM32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，读者也可在后续实验需要用到定时器的时候再进行添加。将定时器的相关驱动文件添加到工程的Drivers/BSP文件分组中，如下图所示（这里以正点原子的STM32F1系列开发板为例，其他开发板类似)：
   )
   

4. 添加应用程序：

   添加freertos_demo.c和freertos_demo.h测试文件，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。

   main.c

   #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"const char *SRAM_NAME_BUF[SRAMBANK] = {" SRAMIN ", " SRAMEX "};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 */lcd_show_string(30,  50, 200, 16, 16, "YIZHI successed", RED);freertos_demo();
   }
   

   freertos_demo.c

   #include "freertos_demo.h"
   #include "./SYSTEM/usart/usart.h"
   #include "./BSP/LED/led.h"
   #include "./BSP/LCD/lcd.h"#include "FreeRTOS.h"
   #include "task.h"#define START_TASK_PRIO 1                   // 任务优先级 
   #define START_STK_SIZE  128                 // 任务堆栈大小 
   TaskHandle_t            StartTask_Handler;  // 任务句柄 
   void start_task(void *pvParameters);        // 任务函数 #define TASK1_PRIO      2                   // 任务优先级 
   #define TASK1_STK_SIZE  128                 // 任务堆栈大小 
   TaskHandle_t            Task1Task_Handler;  // 任务句柄 
   void task1(void *pvParameters);             // 任务函数 #define TASK2_PRIO      3                   // 任务优先级 
   #define TASK2_STK_SIZE  128                 // 任务堆栈大小 
   TaskHandle_t            Task2Task_Handler;  // 任务句柄 
   void task2(void *pvParameters);             // 任务函数 /*创建开始任务*/
   void freertos_demo(void)
   {   xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            // 任务函数 (const char*    )"start_task",          // 任务名称 (uint16_t       )START_STK_SIZE,        // 任务堆栈大小 (void*          )NULL,                  // 传入给任务函数的参数 (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       // 任务优先级 (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   // 任务句柄 vTaskStartScheduler();
   }/*创建两任务1和任务2*/
   void start_task(void *pvParameters)
   {taskENTER_CRITICAL();           // 进入临界区 // 创建任务1 xTaskCreate((TaskFunction_t )task1,(const char*    )"task1",(uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,(void*          )NULL,(UBaseType_t    )TASK1_PRIO,(TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);// 创建任务2 xTaskCreate((TaskFunction_t )task2,(const char*    )"task2",(uint16_t       )TASK2_STK_SIZE,(void*          )NULL,(UBaseType_t    )TASK2_PRIO,(TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler);vTaskDelete(StartTask_Handler); // 删除开始任务 taskEXIT_CRITICAL();            // 退出临界区 
   }/*任务一: LED0闪烁*/
   void task1(void *pvParameters)
   {  while(1){LED0_TOGGLE();                                                  vTaskDelay(1000);   //延时1000ticks }
   }/*任务二: LED1闪烁*/
   void task2(void *pvParameters)
   {  while(1){LED1_TOGGLE();vTaskDelay(500);    //延时500ticks }
   }
   

   freertos_demo.h

   #ifndef __FREERTOS_DEMO_H
   #define __FREERTOS_DEMO_Hvoid freertos_demo(void);#endif