FreeRTOS开发一、FreeRTOS移植

1、FreeRTOS 源码下载

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/
打开代码托管网站链接，我们选择FreeRTOS 的版本 V9.0.0（2016 年），尽管现在 FreeRTOS 的版本已经更新到V10.4.1 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，我们所讲的 FreeRTOS 是实时内核，采用 V9.0.0 版本足以。
在这里插入图片描述
点击后就会自动下载，然后解压zip压缩包以后：

2、FreeRTOS 文件介绍

FreeRTOS 包含 Demo 例程和内核源码，如下图所示：
在这里插入图片描述
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。
Demo 文件夹：里面包含了 FreeRTOS 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。
License 文件夹：这个文件夹里面就是相关的许可信息，要用 FreeRTOS 做产品的得仔细看看，尤其是要出口的产品。

2.1、Source 文件夹

打开“FreeRTOS/Source”文件夹，其内文件及文件夹如下所示：
在这里插入图片描述
编号①和③包含的是 FreeRTOS 的通用的头文件和 C 文件，这两部分的文件适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。
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，如下所示：
在这里插入图片描述
编号①中的 KEIL 就是我们就是我们使用的编译器，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。

（1）RVDS 文件夹

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，如下所示：
在这里插入图片描述
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。通常我们说的移植，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“portmacro.h”两个文件，port.c 文件里面的内容是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，我们刚开始学习的时候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。文件如下：
在这里插入图片描述

（2）MemMang 文件夹

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。如下图所示：
在这里插入图片描述
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。

2.2、Demo 文件夹

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。如下所示：
在这里插入图片描述

2.3、FreeRTOS-Plus 文件夹

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。

2.4、HTML 文件

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。

3、FreeRTOS 移植

要将 FreeRTOS 移植到 STM32 上，需要一个基础工程，可直接使用一个之前做好的工程(使用库函数编写的LED灯闪烁的例子)，为了不破坏基础工程的完整性，我们重新复制一份，并重命名为“FreeRTOS移植模板_LED闪烁”。
如下：
在这里插入图片描述

3.1、添加 FreeRTOS 源码

在前面创建的好的基础工程“FreeRTOS移植模板_LED闪烁”内新建一个“FreeRTOS”文件夹用于保存 FreeRTOS 移植所需源码。如下所示：
在这里插入图片描述
创建好 FreeRTOS 文件夹后，就可以将 FreeRTOS 源码添加到该文件中，前面我们已经讲解了 FreeRTOS 源码文件内容，可直接将源码“FreeRTOSv9.0.0\FreeRTOS\Source”内容全部拷贝到新建的“FreeRTOS”文件夹中，如下所示：
在这里插入图片描述粘贴到工程文件夹下的FreeRTOS文件夹中
前面详细的讲解过 portable 文件夹，对于使用 KEIL 环境我们只需要留下keil、MemMang 和 RVDS 这三个文件夹，其他的都可以删除掉（如果使用其他编译环境，根据实际情况选择）。
如下所示：
在这里插入图片描述

3.2、向工程组添加文件

打开基础工程，新建分组 FreeRTOS_core 和 FreeRTOS_port，然后向这两个分组中添加FreeRTOS 源码文件。FreeRTOS_core 组所添加的文件位置在“\FreeRTOS移植模板_LED闪烁\FreeRTOS”下源文件，FreeRTOS_port 组所添加的文件位置在“\FreeRTOS移植模板_LED闪烁\FreeRTOS\portable\RVDS\ARM_CM3”和“\FreeRTOS移植模板_LED闪烁\FreeRTOS\portable\MemMang”下源文件。如下图所示：
在这里插入图片描述分组 FreeRTOS_core 中的文件在什么地方就不说了，打开 FreeRTOS 源码一目了然。重点来说说 FreeRTOS_port 分组中的 port.c 和 heap_4.c 是怎么来的，port.c 是 RVDS 文件夹下的 ARM_CM3 中的文件，因为 STM32F103 是Cortex-M3 内核的，因此要选择 ARM_CM3 中的 port.c 文件。假如使用的是其它内核芯片，则选择对应内核文件夹内的 port.c 文件。heap_4.c 是 MemMang 文件夹中的，前面说了 MemMang 是跟内存管理相关的，里面有 5 个 c 文件：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c 和 heap_5.c。这 5 个 c 文件是五种不同的内存管理方法。这 5 个文件都可以用来作为 FreeRTOS 的内存管理文件，只是它们的实现原理不同，各有利弊。这里我们选择heap_4.c，至于原因，后面会有一章节专门来讲解 FreeRTOS 的内存管理，到时候大家就知道原因了。这里就先选择 heap_4.c，毕竟本章的重点是 FreeRTOS 的移植。

3.3、添加头文件路径

添加完 FreeRTOS 源码中的 C 文件以后还要添加 FreeRTOS 源码的头文件路径，头文件路径如下图所示：
在这里插入图片描述
头文件路径添加完成以后编译一下，看看有没有什么错误，结果会发现提示打不开“FreeRTOSConfig.h”这个文件，如下图所示：
这是因为缺少 FreeRTOSConfig.h 文件，这个文件在哪里找呢？你可以自己创建，显然这不是一个明智的做法。我们可以找找 FreeRTOS 的官方移植工程中会不会有这个文件，打开前面下载好的 FreeRTOS 源码文件，里面有各种芯片移植好的 Demo，针对 STM32F103 的移植工程文件，文件夹是CORTEX_STM32F103_Keil，如果使用的是其它内核芯片，请打开对应的工程。打开以后如下图所示：
在这里插入图片描述为了方便管理，我们将该文件复制一份存放到“FreeRTOS移植模板_LED闪烁\FreeRTOS\include”位置下，如下图所示：
我们再编译一下工程，没有错误，如下图所示：
FreeRTOSConfig.h 是何方神圣？看名字就知道，他是 FreeRTOS 的配置文件，一般的操作系统都有裁剪、配置功能，而这些裁剪及配置都是通过一个文件来完成的，基本都是通过宏定义来完成对系统的配置和裁剪的。

3.4、修改 FreeRTOSConfig.h 文件

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。

3.5、修改 stm32f10x_it.c 文件

SysTick 中断服务函数是一个非常重要的函数，FreeRTOS 所有跟时间相关的事情都在里面处理，SysTick 就是 FreeRTOS 的一个心跳时钟，驱动着 FreeRTOS的运行，就像人的心跳一样，假如没有心跳，我们就相当于“死了”，同样的，FreeRTOS 没有了心跳，那么它就会卡死在某个地方，不能进行任务调度，不能运行任何的东西，因此我们需要实现一个 FreeRTOS 的心跳时钟，FreeRTOS 帮
我们实现了 SysTick 的启动的配置：在 port.c 文件中已经实现vPortSetupTimerInterrupt()函数，并且 FreeRTOS 通用的 SysTick 中断服务函数也实现了：在 port.c 文件中已经实现 xPortSysTickHandler()函数，所以移植的时候只需要我们在 stm32f10x_it.c 文件中实现我们对应（STM32）平台上的 SysTick_Handler()函数即可。FreeRTOS 为开发者考虑得特别多，PendSV_Handler()与 SVC_Handler()这两个很重要的函数都帮我们实现了，在 port.c 文件中已经实现xPortPendSVHandler()与 vPortSVCHandler()函数，防止我们自己实现不了，那么在 stm32f10x_it.c 中就需要我们注释掉 PendSV_Handler()与SVC_Handler()这两个函数了，具体修改代码如下：
1、添加头文件

#include "FreeRTOS.h" //FreeRTOS 使用
#include "task.h"

2、注释掉PendSV_Handler和SVC_Handler
在这里插入图片描述 3、修改SysTick_Handler部分

extern void xPortSysTickHandler(void);
/**
* @brief This function handles SysTick Handler.
* @param None
* @retval None
*/
void SysTick_Handler(void)
{
	if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
	{
		xPortSysTickHandler();
	}
}

在这里插入图片描述

3.6、修改 Delay.c 和 Delay.h 文件，设置系统时钟频率，开启SYSTICK和开启SYSTICK中断

首先在 Delay.c 文件开头添加 FreeRTOS 头文件，如下：
Delay.c

#include "FreeRTOS.h" //FreeRTOS 使用
#include "task.h"
#include "stm32f10x.h"

static u8  fac_us=0;							//us延时倍乘数			   
static u16 fac_ms=0;							//ms延时倍乘数

//初始化延迟函数
//SYSTICK的时钟固定为AHB时钟，基础例程里面SYSTICK时钟频率为AHB/8
//SYSCLK:系统时钟频率
void SysTick_Init(u8 SYSCLK)
{
	u32 reload;
	SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK);//选择外部时钟  HCLK
	fac_us=SystemCoreClock/1000000;				//不论是否使用OS,fac_us都需要使用
	reload=SystemCoreClock/1000000;				//每秒钟的计数次数 单位为M  
	reload*=1000000/configTICK_RATE_HZ;			//根据configTICK_RATE_HZ设定溢出时间
												//reload为24位寄存器,最大值:16777216,在72M下,约合0.233s左右	
	fac_ms=1000/configTICK_RATE_HZ;				//代表OS可以延时的最少单位	   

	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;   	//开启SYSTICK中断
	SysTick->LOAD=reload; 						//每1/configTICK_RATE_HZ秒中断一次	
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;   	//开启SYSTICK				   
}								    


//延时nus
//nus:要延时的us数.	
//nus:0~204522252(最大值即2^32/fac_us@fac_us=168)	    								   
void Delay_us(u32 nus)
{		
	u32 ticks;
	u32 told,tnow,tcnt=0;
	u32 reload=SysTick->LOAD;				//LOAD的值	    	 
	ticks=nus*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.
		}  
	};										    
}  
//延时nms
//nms:要延时的ms数
//nms:0~65535
void Delay_ms(u32 nms)
{	
	if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
	{		
		if(nms>=fac_ms)						//延时的时间大于OS的最少时间周期 
		{ 
   			vTaskDelay(nms/fac_ms);	 		//FreeRTOS延时
		}
		nms%=fac_ms;						//OS已经无法提供这么小的延时了,采用普通方式延时    
	}
	delay_us((u32)(nms*1000));				//普通方式延时
}

//延时nms,不会引起任务调度
//nms:要延时的ms数
void Delay_xms(u32 nms)
{
	u32 i;
	for(i=0;i<nms;i++) delay_us(1000);
}

/**
  * @brief  秒级延时
  * @param  xs 延时时长，范围：0~4294967295
  * @retval 无
  */
void Delay_s(u32 xs)
{
	while(xs--)
	{
		Delay_ms(1000);
	}
}

Delay.h

#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H

void Delay_us(u32 us);
void Delay_ms(u32 ms);
void Delay_xms(u32 nms);
void Delay_s(u32 s);

#endif