FreeRTOS应用开发笔记之一：FreeRTOS在STM32的移植

FreeRTOS是如今在小型嵌入式领域应用比较广泛的一种实时操作系统。它是一种开源且免费的操作系统，而且移植和使用都非常的简单。在这里我们将学习并移植FreeRTOS。

1、必要的准备

工欲善其事，必先利其器，在开始学习和移植之前，相应的准备工作必不可少。所以在开始我们需要有必要的准备：

下载FreeRTOS源码，可以从官网下载源码，最新版本为V10.0.1，官网地址：https://www.freertos.org/a00104.html
下载学习资料，FreeRTOS官方提供入门手册和参考手册，可以在线查看，也可以下载pdf版本的电子书。下载网址：https://www.freertos.org/Documentation/RTOS_book.html
准备实验平台，此次我们将在STM32F407平台上移植和测试FreeRTOS系统

下载的FreeRTOS源码是一个自解压的文件，解压后包含的内容比较丰富，不过目录结构很清晰，主要包含两个子目录：FreeRTOS和FreeRTOS-Plus。如下所示：

FreeRTOS-Plus 包含FreeRTOS+组件和演示例程；
FreeRTOS 包含FreeRTOS实时内核源文件和演示例程。

我们学习的FreeRTOS内核部分在FreeRTOS目录之下，打开FreeRTOS文件夹它又被分成两个主要的子目录，如下所示：

Demo 包含演示例程工程；
License 包含授权文件
Source 包含实时内核源文件。

RTOS代码的核心包含在三个文件中：tasks.c、queue.c、list.c。这三个文件位于FreeRTOS/Source目录。在该目录下还包含三个可选的文件：timers.c、event_groups.c、croutine.c，分别实现软件定时、事件组和协程功能。打开Source文件夹，FreeRTOS/Source目录结构如下所示：

应用平台的不同，所以每个支持的处理器架构都有一段与处理器架构相关的RTOS代码。这个是RTOS移植层，它位于FreeRTOS/Source/Portable/[相应编译器]/[相应CPU架构]子目录。

对于FreeRTOS，堆栈设计也属于移植层。FreeRTOS/Source/portable/MemMang目录下heap_x.c文件给出了多种堆栈方案，在后续的移植中，会详细说明。

2、简单的移植

前面我们简要说明了移植的准备工作，接下来我们开始最主要的移植。本次移植我们将在IAR平台上进行，首先要创建一个IAR项目。我们在IAR下创建一个名为pfreertos的项目，并添加Application、Drivers和Middlewares几个组。并在Application下添加EWARM和User组；在Drivers下添加CMSIS和STM32F4xx_HAL_Driver组；在Middlewares下添加FreeRTOS组，具体如下：

至于具体文件的物理路径并没有特别要求，但为了便于管理，我们强烈建议放到一起。并将相关的FreeRTOS源码拷贝到该项目目录下。

将\FreeRTOSv10.0.1\FreeRTOS\Source目录下的源文件及include文件夹复制到新建项目的文件夹中。

将\FreeRTOSv10.0.1\FreeRTOS\Source\portable\IAR\ARM_CM4F目录下的三个文件也复制到新建项目的文件夹。

将\FreeRTOSv10.0.1\FreeRTOS\Source\portable\MemMang目录下的heap_4.c文件复制到新建项目的文件夹。

将\FreeRTOSv10.0.1\FreeRTOS\Demo\CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK目录下的FreeRTOSConfig.h文件复制到新建项目的文件夹。

同时将这下文件添加到我们前面创建的pfreertos项目中，其它如ST驱动及用户应用也添加到项目中。并将相关的引用目录添加到项目属性中。需要说一下的是在Assembler中的Preprocessor标签下添加也需要添加FreeRTOSConfig.h的引用路径，因为在汇编文件中有对FreeRTOSConfig.h文件的引用。

在FreeRTOSConfig.h 配置文件中，有如下3个宏定义：

#define vPortSVCHandler SVC_Handler

#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler

#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

需要在stm32f4xx_it.c文件中，将对应的三个空的函数定义注释掉。至此，其实编译就已不会有错，移植工作已经完成。当然在有些其他的基础库也需要使用SysTick时，我们也可以在中断中调用xPortSysTickHandler()函数来实现我们的需求。

3、移植测试

前面我们已经移植了FreeRTOS，接下来我们创建多个任务测试一下它。

在main.c文件中添加相应的代码，声明如下函数及代码（我计划4个任务）：

/***************************************************************************
函数声明
***************************************************************************/
static void vTask1(void *pvParameters);
static void vTask2(void *pvParameters);
static void vTask3(void *pvParameters);
static void vTask4(void *pvParameters);
static void AppTaskCreate (void);/***************************************************************************
变量声明
***************************************************************************/
static TaskHandle_t xHandleTask1 = NULL;
static TaskHandle_t xHandleTask2 = NULL;
static TaskHandle_t xHandleTask3 = NULL;
static TaskHandle_t xHandleTask4 = NULL;

任务创建函数如下：

static void AppTaskCreate (void)
{xTaskCreate( vTask1, "vTask1",512, NULL,1, &xHandleTask1);xTaskCreate( vTask2, "vTask2",512, NULL,1, &xHandleTask2);xTaskCreate( vTask3, "vTask3",512, NULL,1, &xHandleTask3);xTaskCreate( vTask4, "vTask4",512, NULL,1, &xHandleTask4);
}

主函数如下：

int main(void)
{/* 创建任务 */AppTaskCreate();/* 启动任务调度，开始执行任务 */vTaskStartScheduler();
}

编译无错误4个任务同时运行。移植初步测试成功。

4、几点说明

在FreeRTOS中定义了多种内存管理方式，对应的文件有5个，那么每个文件实现了什么？怎么选用呢？我们对于内存管理的几个文件的大致内容描述如下：

heap_1.c：这是所有实现中最简单的一个。一旦分配内存之后，它甚至不允许释放分配的内存。
heap_2.c：和heap_1不同，这个方案使用一个最佳匹配算法，它允许释放之前分配的内存块。它不会把相邻的空闲块合成一个更大的块，可能会造成内存碎片。
heap_3.c：简单的包装了标准库中的malloc()和free()函数，包装后的malloc()和free()函数具备线程保护。
heap_4.c：这个方案使用一个最佳匹配算法，但不像方案2那样。它会将相邻的空闲内存块合并成一个更大的块。
heap_5.c：这个方案同样实现了heap_4.c中的合并算法，并且允许堆栈跨越多个非连续的内存区。

在前面说过FreeRTOSConfig.h 配置文件中，有如下3个宏定义。该宏定义避免了修改启动文件，但有一个地方需要注意一下。就是第3个宏定义“#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler”。如果采用的是ST的标准库没有问题，但如果采用的是HAL库，由于HAL库需要SysTick中断才能稳定运行，所以不能采用宏定义，而是在stm32f4xx_it.c文件中的SysTick中断响应函数中调用xPortSysTickHandler函数。