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超詳細的FreeRTOS移植全教程——基於srm32

本文轉載自   查看原文   2019-10-15 21:15   4027    rtos/ iot

准備

在移植之前，我們首先要獲取到FreeRTOS的官方的源碼包。這里我們提供兩個下載鏈接:

一個是官網：http://www.freertos.org/
另外一個是代碼托管網站：https://sourceforge.net/projects/freertos/files/FreeRTOS/

這里我們演示如何在代碼托管網站里面下載。打開網站鏈接之后，我們選擇FreeRTOS的最新版本V9.0.0（2016年），盡管現在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版本之后是亞馬遜收購了FreeRTOS之后才出來的版本，主要添加了一些雲端組件，我們本書所講的FreeRTOS是實時內核，采用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文件夾里面包含的是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 文件夾里面包含了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。
在這里插入圖片描述

Source文件夾

這里我們再重點分析下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。
在這里插入圖片描述

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里面的內容跟RVDS里面的內容一樣，所以我們只需要③RVDS文件夾里面的內容即可，里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。
在這里插入圖片描述

移植過程

提取源碼

  1. 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，軟硬件必須有橋梁來連接，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。
  2. 打開FreeRTOS V9.0.0源碼，在“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Source”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，

在這里插入圖片描述

  1. 打開FreeRTOS V9.0.0源碼，在“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Source\portable”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

在這里插入圖片描述

  1. 打開FreeRTOS V9.0.0源碼，在“FreeRTOSv9.0.0\ FreeRTOS\Source”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，完成這一步之后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。

在這里插入圖片描述

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“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Demo”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，然后拷貝到我們工程的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里面新建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port\MemMang文件夾 與port\RVDS\ARM_CM3文件夾的內容。
然后我們將工程文件中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。
添加完成后：

在這里插入圖片描述

** 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的源碼里面只有FreeRTOS\include和FreeRTOS\port\RVDS\ARM_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里面指定即可。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里面。
在這里插入圖片描述

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，然后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,%d\r\n",char,int)
#define configASSERT(x) if((x)==0) vAssertCalled(__FILE__,__LINE__)

/************************************************************************
 *               FreeRTOS基礎配置配置選項 
 *********************************************************************/
/* 置1：RTOS使用搶占式調度器；置0：RTOS使用協作式調度器（時間片）
 * 
 * 注：在多任務管理機制上，操作系統可以分為搶占式和協作式兩種。
 * 協作式操作系統是任務主動釋放CPU后，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匯編指令（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.按住復位按鍵，點擊下載瞬間松開復位按鍵
 *     
 *      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，然后進行下載
 *			STMISP -> 清除芯片(z)
 */
#define configUSE_TICKLESS_IDLE													0   

/*
 * 寫入實際的CPU內核時鍾頻率，也就是CPU指令執行頻率，通常稱為Fclk
 * Fclk為供給CPU內核的時鍾信號，我們所說的cpu主頻為 XX MHz，
 * 就是指的這個時鍾信號，相應的，1/Fclk即為cpu時鍾周期；
 */
#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

/* 設置可以注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與鈎子函數有關的配置選項                                            
**************************************************************/
/* 置1：使用空閑鈎子（Idle Hook類似於回調函數）；置0：忽略空閑鈎子
 * 
 * 空閑任務鈎子是一個函數，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
 * 使用空閑鈎子函數設置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：使用時間片鈎子（Tick Hook）；置0：忽略時間片鈎子
 * 
 * 
 * 時間片鈎子是一個函數，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           

//使用內存申請失敗鈎子函數
#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鈎子函數，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，啟用協程以后必須添加文件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里面處理，SysTick就是FreeRTOS的一個心跳時鍾，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，那么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的心跳時鍾，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，那么在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

這里，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，那么任務返回之后就在死循環中執行，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);   /* 正常不會執行到這里 */    
}

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 */		 		
    }
}

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