2. 移植FreeRTOS到STM32

本章开始，先新建一个基于野火STM32全系列（包含M3/4/7）开发板的的FreeRTOS的工程模板，让FreeRTOS先跑起来。以后所有的FreeRTOS相关的例程我们都在此模板上修改和添加代码，不用再反反复复地新建。在本书配套的例程中，每一章的例程对野火STM32的每一个板子都会有一个对应的例程 ，但是区别都很小，如果有区别的地方我会在教程里面详细指出，如果没有特别备注那么都是一样的。

STM32的裸机工程模板我们直接使用野火STM32开发板配套的固件库例程即可。这里我们选取比较简单的例程—“GPIO输出—使用固件库点亮LED”作为裸机工程模板。该裸机工程模板均可以在对应板子的A盘/程序源码/固件库例程的目录下获取到，下面以野火F103-霸道板子的光盘目录为例，具体见图11‑1。

图11‑1 STM32裸机工程模板在光盘资料中的位置

在移植之前，我们首先要获取到FreeRTOS的官方的源码包。这里我们提供两个下载链接，一个是官网：http://www.freertos.org/，另外一个是代码托管网站：https://sourceforge.net/projects/freertos/files/FreeRTOS/。这里我们演示如何在代码托管网站里面下载。打开网站链接之后，我们选择FreeRTOS的最新版本V9.0.0（2016年），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，因为内核很稳定，并且网上资料很多，因为V10.0.0版本之后是亚马逊收购了FreeRTOS 之后才出来的版本，主要添加了一些云端组件，我们本书所讲的FreeRTOS是实时内核，采用V9.0.0版本足以。

我们打开FreeRTOS的代码托管网站，就可以看到FreeRTOS的源码及其版本信息了，具体见图11‑2。

图11‑2FreeRTOS V9.0.0版本源码

点击V9.0.0会跳转到版本目录，具体见图11‑3。这里有zip和exe格式的压缩包，其实都是FreeRTOS的源码，只是压缩的格式不一样，所以大小也不一样，我们这里选择zip的下载，点击了就会出现下载的链接，下载完成解压后就可以得到我们想要的FreeRTOS V9.0.0版本的源码了，具体见图11‑4。

图11‑3 FreeRTOS源码包下载链接

图11‑4 FreeRTOSv9.0.0源码

FreeRTOS包含Demo例程和内核源码（比较重要，我们就需要提取该目录下的大部分文件），具体见图11‑5。FreeRTOS文件夹下的 Source文件夹里面包含的是FreeRTOS内核的源代码，我们移植FreeRTOS的时候就需要这部分源代码；FreeRTOS文件夹下的Demo文件夹里面包含了F reeRTOS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这个目录下，这部分Demo非常有参考价值。我们把FreeRTOS到STM32的时候，FreeRTOSConfig.h这个头文件就是从这里拷贝过来的，下面我 们对FreeRTOS的文件夹进行分析说明。

图11‑5FreeRTOS文件夹内容

这里我们再重点分析下FreeRTOS/ Source文件夹下的文件，具体见图11‑6。编号①和③包含的是FreeRTOS的通用的头文件和C文件，这两部分的文件试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文件放在编号②portblle这个文件夹。

图11‑6 Source文件夹内容

我们打开portblle这个文件夹，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。编号①中的KEIL就是我们就是我们使用的编译器，当年打开KEIL文件夹的时候，你会看到一句话“See-also-the-RVDS- directory.txt”，其实KEIL里面的内容跟RVDS里面的内容一样，所以我们只需要编号③RVDS文件夹里面的内容即可。而编号②MemMang文件夹下存放的是跟内存管理相关的，稍后具体介绍，portblle文件夹内容具体见图11‑7。

图11‑7 portblle文件夹内容

打开RVDS文件夹，下面包含了各种处理器相关的文件夹，从文件夹的名字我们就非常熟悉了，我们学习的STM32有M0、M3、M4等各种系列，FreeRTOS是一个软件，单片机是一个硬件，FreeRTOS要想运行在一个单片机上面，它们就必须关联在一起，那么怎么关联？还是得通过写代码来关联，这部分关联的文件 叫接口文件，通常由汇编和C联合编写。这些接口文件都是跟硬件密切相关的，不同的硬件接口文件是不一样的，但都大同小异。编写这些接口文件的过程我们就叫移植，移植的过程通常由FreeRTOS和mcu原厂的人来负责，移植好的这些接口文件就放在RVDS这个文件夹的目录下，具体见图11‑8。

图11‑8RVDS文件夹内容

FreeRTOS为我们提供了cortex-m0、m3、m4和m7等内核的单片机的接口文件，只要是使用了这些内核的mcu都可以使用里面的接口文件。通常网络上出现的叫“移植某某某RTOS到某某某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，因为这些跟硬件相关的接口文件，RTOS官方都 已经写好了，我们只是使用而已。我们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我们已经在第一部分“从0到1教你写FreeRTOS内核”有非常详细的讲解，这里我们直接使用即可。我们这里以ARM_CM3这个文件夹为例，看看里面的文件，里面只有“port.c”与“portmacr o.h”两个文件，port.c文件里面的内容是由FreeRTOS官方的技术人员为Cortex-M3内核的处理器写的接口文件，里面核心的上下文切换代码是由汇编语言编写而成，对技术员的要求比较高，我们刚开始学习的之后只需拷贝过来用即可，深入的学习可以放在后面的日子；portmacro.h则是port.c 文件对应的头文件，主要是一些数据类型和宏定义，具体见图11‑9。

图11‑9ARM_CM3文件夹内容

编号②MemMang文件夹下存放的是跟内存管理相关的，总共有五个heap文件以及一个readme说明文件，这五个heap文件在移植的时候必须使用一个，因为FreeRTOS在创建内核对象的时候使用的是动态分配内存，而这些动态内存分配的函数则在这几个文件里面实现，不同的分配算法会导致不同 的效率与结果，后面在内存管理中我们会讲解每个文件的区别，由于现在是初学，所以我们选用heap4.c即可，具体见图11‑10。

图11‑10MemMang文件夹内容

至此，FreeRTOS/source文件夹下的主要内容就讲完，剩下的可根据兴趣自行查阅。

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，具体见图11‑11。

图11‑11Demo文件夹内容

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。

FreeRTOS-Plus文件夹里面包含的是第三方的产品，一般我们不需要使用，FreeRTOS-Plus的预配置演示项目组件（组件大多数都要收费），大多数演示项目都是在Windows环境中运行的，使用FreeRTOS windows模拟器，所以暂时不需要关注这个文件夹。

一些直接可以打开的网页文件，里面包含一些关于FreeRTOS的介绍，是FreeRTOS官方人员所写，所以都是英文的，有兴趣可以打开看看，具体相关内容可以看HTML文件名称。

在前一章节中，我们看到了FreeRTOS源码中那么多文件，一开始学我们根本看不过来那么多文件，我们需要提取源码中的最简洁的部分代码，方便同学们学习，更何况我们学习的只是FreeRTOS的实时内核中的知识，因为这才是FreeRTOS的核心，那些demo都是基于此移植而来的，我们不需要学习，下面提取源码 的操作过程。

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“FreeRTOSv9.0.0FreeRTOSSource”目录下找到所有的‘.c文件’，将它们拷贝到我们新建的src文件夹中，具体见图11‑12。

图11‑12提取FreeRTOS源码文件（*.c文件）

打开FreeRTOS V9.0.0源码，在“FreeRTOSv9.0.0FreeRTOSSourceportable”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

图11‑13提取MemMang与RVDS源码文件

打开FreeRTOS V9.0.0源码，在“FreeRTOSv9.0.0\ FreeRTOSSource”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，具体见图11‑14。

图11‑14提取FreeRTOS核心文件完成状态

鉴于FreeRTOS容量很小，我们直接将刚刚提取的整个FreeRTOS文件夹拷贝到我们的STM32裸机工程里面，让整个FreeRTOS跟随我们的工程一起发布，使用这种方法打包的FreeRTOS 工程，即使是将工程拷贝到一台没有安装FreeRTOS支持包（MDK中有FreeRTOS的支持包）的电脑上面都是可以直接使用的，因为工程已经包含了FreeRTOS的源码。具体见图11‑15。

图11‑15拷贝FreeRTOS Package到裸机工程

图11‑15中FreeRTOS文件夹下就是我们提取的FreeRTOS的核心代码，该文件夹下的具体内容作用在前面就已经描述的很清楚了，这里就不再重复赘述。

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“FreeRTOSv9.0.0FreeRTOSDemo”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。

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。

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portMemMang文件夹与portRVDSARM_CM？文件夹的内容，“？”表示3、4或者7，具体选择哪个 得看你使用的是野火哪个型号的STM32开发板，具体见表11‑1。

表11‑1野火STM32开发板型号对应FreeRTOS的接口文件

野火STM32开发板型号

具体芯片型号

FreeRTOS不同内核的接口文件

MINI

STM32F103RCT6

portRVDSARM_CM3

指南者

STM32F103VET6

霸道

STM32F103ZET6

霸天虎

STM32F407ZGT6

portRVDSARM_CM4

F429-挑战者

STM32F429IGT6

F767-挑战者

STM32F767IGT6

portRVDSARM_CM7

H743-挑战者

STM32H743IIT6

然后我们将工程文件中FreeRTOS的内容添加到工程中去，按照已经新建的分组添加我们的FreeRTOS工程源码。

在FreeRTOS/port分组中添加MemMang文件夹中的文件只需选择其中一个即可，我们选择“heap_4.c”，这是FreeRTOS的一个内存管理源码文件。同时，需要根据自己的开发板型号在FreeRTOSportRVDSARM_CM?中选择，“？”表示3、4或者7，具体选择哪个得看你使用 的是野火哪个型号的STM32开发板，具体见表11‑1。

然后在user分组中添加我们FreeRTOS的配置文件“FreeRTOSConfig.h”，因为这是头文件（.h），所以需要在添加时选择文件类型为“All files (.)”，至此我们的FreeRTOS添加到工程中就已经完成，完成的效果具体见图11‑16。

图11‑16添加FreeRTOS源码到工程分组中

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FreeRTOSinclude和FreeRTOSportRVDSARM_CM？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。FreeRTOS头文件的路径添加完成后的效果具体见图11‑17。

图11‑17在开发环境中指定FreeRTOS 的头文件的路径

至此，FreeRTOS的整体工程基本移植完毕，我们需要修改FreeRTOS配置文件，按照我们的需求来进行修改。

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。

注意：此FreeRTOSConfig.h文件内容与我们从demo移植过来的FreeRTOSConfig.h文件不一样，因为这是我们野火修改过的FreeRTOSConfig.h文件，并不会影响FreeRTOS的功能，我们只是添加了一些中文注释，并且把相关的头文件进行分类，方便查找宏定义已经阅读，仅此而 已。强烈建议使用我们修加工过的FreeRTOSConfig.h文件。

代码清单11‑1FreeRTOSConfig.h文件内容

1 #ifndef FREERTOS_CONFIG_H

2 #define FREERTOS_CONFIG_H

3

4 //针对不同的编译器调用不同的stdint.h文件

5 #if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)(1)

6 #include

7 externuint32_t SystemCoreClock;

8 #endif

9

10 //断言

11 #define vAssertCalled(char,int) printf(“Error:%s,%drn”,char,int)

12 #define configASSERT(x) if((x)==0) vAssertCalled(__FILE__,__LINE__)(2)

13

14 /*

15 * FreeRTOS基础配置配置选项

16 /

17 /* 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）

18 *

19 * 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。

20 * 协作式操作系统是任务主动释放CPU后，切换到下一个任务。

21 * 任务切换的时机完全取决于正在运行的任务。

22 */

23 #define configUSE_PREEMPTION 1 (3)

24

25 //1使能时间片调度(默认式使能的)

26 #define configUSE_TIME_SLICING 1 (4)

27

28 /* 某些运行FreeRTOS的硬件有两种方法选择下一个要执行的任务：

29 * 通用方法和特定于硬件的方法（以下简称“特殊方法”）。

30 *

31 * 通用方法：

32 * 1.configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 为 0 或者硬件不支持这种特殊方法。

33 * 2.可以用于所有FreeRTOS支持的硬件

34 * 3.完全用C实现，效率略低于特殊方法。

35 * 4.不强制要求限制最大可用优先级数目

36 * 特殊方法：

37 * 1.必须将configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION设置为1。

38 * 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）。

39 * 3.比通用方法更高效

40 * 4.一般强制限定最大可用优先级数目为32

41 *

42 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！

43 */

44 #define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 1 (5)

45

46 /* 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 */

47 #define configUSE_TICKLESS_IDLE 0 (6)

48

49 /*

50 * 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

51 * Fclk为供给CPU内核的时钟信号，我们所说的cpu主频为 XX MHz，

52 * 就是指的这个时钟信号，相应的，1/Fclk即为cpu时钟周期；

53 */

54 #define configCPU_CLOCK_HZ (SystemCoreClock) (7)

55

56 //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

57 #define configTICK_RATE_HZ (( TickType_t )1000) (8)

58

59 //可使用的最大优先级

60 #define configMAX_PRIORITIES (32) (9)

61

62 //空闲任务使用的栈大小

63 #define configMINIMAL_STACK_SIZE ((unsigned short)128) (10)

64

65 //任务名字字符串长度

66 #define configMAX_TASK_NAME_LE (16) (11)

67

68 //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

69 #define configUSE_16_BIT_TICKS 0 (12)

70

71 //空闲任务放弃CPU使用权给其他同优先级的用户任务

72 #define configIDLE_SHOULD_YIELD 1 (13)

73

74 //启用队列

75 #define configUSE_QUEUE_SETS 1 (14)

76

77 //开启任务通知功能，默认开启

78 #define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 1 (15)

79

80 //使用互斥信号量

81 #define configUSE_MUTEXES 1 (16)

82

83 //使用递归互斥信号量

84 #define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 1 (17)

85

86 //为1时使用计数信号量

87 #define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1 (18)

88

89 /* 设置可以注册的信号量和消息队列个数 */

90 #define configQUEUE_REGISTRY_SIZE 10 (19)

91

92 #define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG 0

93

94

95 /*

96 FreeRTOS与内存申请有关配置选项

97 /

98 //支持动态内存申请

99 #define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1 (20)

100 //支持静态内存

101#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 0

102 //系统所有总的堆大小

103 #define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)(36*1024)) (21)

104 /*

105 FreeRTOS与钩子函数有关的配置选项

106 /

107 /* 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

108 *

109 * 空闲任务钩子是一个函数，这个函数由用户来实现，

110 * FreeRTOS规定了函数的名字和参数：void vApplicationIdleHook(void )，

111 * 这个函数在每个空闲任务周期都会被调用

112 * 对于已经删除的RTOS任务，空闲任务可以释放分配给它们的栈内存。

113 * 因此必须保证空闲任务可以被CPU执行

114 * 使用空闲钩子函数设置CPU进入省电模式是很常见的

115 * 不可以调用会引起空闲任务阻塞的API函数

116 */

117 #define configUSE_IDLE_HOOK 0 (22)

118

119 /* 置1：使用时间片钩子（Tick Hook）；置0：忽略时间片钩子

120 *

121 *

122 * 时间片钩子是一个函数，这个函数由用户来实现，

123 * FreeRTOS规定了函数的名字和参数：void vApplicationTickHook(void )

124 * 时间片中断可以周期性的调用

125 * 函数必须非常短小，不能大量使用栈，

126 * 不能调用以”FromISR” 或 “FROM_ISR”结尾的API函数

127 */

128 #define configUSE_TICK_HOOK 0 (23)

129

130 //使用内存申请失败钩子函数

131 #define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 0 (24)

132

133 /*

134 * 大于0时启用栈溢出检测功能，如果使用此功能

135 * 用户必须提供一个栈溢出钩子函数，如果使用的话

136 * 此值可以为1或者2，因为有两种栈溢出检测方法 */

137 #define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 0 (25)

138

139

140 /*

141 FreeRTOS与运行时间和任务状态收集有关的配置选项

142 /

143 //启用运行时间统计功能

144 #define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 0 (26)

145 //启用可视化跟踪调试

146 #define configUSE_TRACE_FACILITY 0 (27)

147 /* 与宏configUSE_TRACE_FACILITY同时为1时会编译下面3个函数

148 * prvWriteNameToBuffer()

149 * vTaskList(),

150 * vTaskGetRunTimeStats()

151 */

152 #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1

153

154

155 /*

156 FreeRTOS与协程有关的配置选项

157 /

158 //启用协程，启用协程以后必须添加文件croutine.c

159 #define configUSE_CO_ROUTINES 0 (28)

160 //协程的有效优先级数目

161 #define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 ) (29)

162

163

164 /*

165 FreeRTOS与软件定时器有关的配置选项

166 /

167 //启用软件定时器

168 #define configUSE_TIMERS 1 (30)

169 //软件定时器优先级

170 #define configTIMER_TASK_PRIORITY (configMAX_PRIORITIES-1) (31)

171 //软件定时器队列长度

172 #define configTIMER_QUEUE_LENGTH 10 (32)

173 //软件定时器任务栈大小

174 #define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH (configMINIMAL_STACK_SIZE*2)(33)

175

176 /*

177 FreeRTOS可选函数配置选项

178 /

179 #define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState 1 (34)

180 #define INCLUDE_vTaskPrioritySet 1 (35)

181 #define INCLUDE_uxTaskPriorityGet 1 (36)

182 #define INCLUDE_vTaskDelete 1 (37)

183 #define INCLUDE_vTaskCleanUpResources 1

184 #define INCLUDE_vTaskSuspend 1

185 #define INCLUDE_vTaskDelayUntil 1

186 #define INCLUDE_vTaskDelay 1

187 #define INCLUDE_eTaskGetState 1

188 #define INCLUDE_xTimerPendFunctionCall 1

189

190 /*

191 FreeRTOS与中断有关的配置选项

192 /

193 #ifdef __NVIC_PRIO_BITS

194 #define configPRIO_BITS __NVIC_PRIO_BITS (38)

195 #else

196 #define configPRIO_BITS 4 (39)

197 #endif

198 //中断最低优先级

199 #define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY 15 (40)

200

201 //系统可管理的最高中断优先级

202 #define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5 (41)

203 #define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY (42)

204 ( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY