STM32手動移植FreeRTOS

📦 準備工作

  1. 獲取FreeRTOS源碼:

    • 訪問?FreeRTOS官網?或其?GitHub倉庫?下載最新版內核源碼。

    • 你也可以使用Git克隆（注意要包含子模塊）：git clone https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS.git --recurse-submodules。

  2. 準備STM32基礎工程:

    • 使用?STM32CubeMX?生成一個針對你芯片型號的裸機工程（例如一個簡單的LED閃爍工程），配置好時鐘樹、調試接口（如SYS）和你需要的外設（如GPIO、USART等）。

    • 確保這個基礎工程在你的開發板上能夠編譯并通過（例如，LED能閃爍）。

📁 文件組織與添加

在你的STM32工程目錄下（通常與Core、Drivers等文件夾同級），創建一個用于存放FreeRTOS源碼的文件夾，例如Middlewares/FreeRTOS。然后按照下表的指引將必要的文件復制到相應位置：

所需文件源路徑 (基于FreeRTOS源碼根目錄)目標路徑 (你的工程目錄)作用描述
核心源文件(.c)FreeRTOS/Source/*.c?(如?tasks.c,?queue.c,?list.c等)Middlewares/FreeRTOS/SourceFreeRTOS內核的核心功能實現
核心頭文件(.h)FreeRTOS/Source/include/*.hMiddlewares/FreeRTOS/Source/includeFreeRTOS內核的頭文件，提供API和數據類型定義
移植層文件FreeRTOS/Source/portable/[Compiler]/[Architecture]/*Middlewares/FreeRTOS/Source/portable與編譯器及CPU架構相關的移植代碼（關鍵選擇，見下文說明）
內存管理實現FreeRTOS/Source/portable/MemMang/heap_x.c?(選一個)Middlewares/FreeRTOS/Source/portable/MemMangFreeRTOS的動態內存管理方案（五選一，通常推薦heap_4.c）
配置文件FreeRTOS/Demo/[Demo項目]/FreeRTOSConfig.h通常放在工程Inc目錄或Middlewares/FreeRTOSFreeRTOS內核的配置文件（需根據你的芯片和需求修改）

🔧 關鍵選擇說明：

  • 移植層文件 ([Compiler]和[Architecture]):

    • [Compiler]: 根據你使用的開發環境選擇。

      • Keil MDK: 選擇?RVDS?目錄。

      • IAR: 選擇?IAR?目錄。

      • GCC (如STM32CubeIDE, CLion): 選擇?GCC?目錄。

    • [Architecture]: 根據你STM32芯片的Cortex內核型號選擇。

      • Cortex-M0:?ARM_CM0

      • Cortex-M3:?ARM_CM3

      • Cortex-M4?(無FPU):?ARM_CM4F

      • Cortex-M7?(有FPU):?ARM_CM7

      • *例如，STM32F103是Cortex-M3，STM32F407是Cortex-M4。*

  • 內存管理實現 (heap_x.c):
    FreeRTOS提供了5種內存管理方案，通常選擇?heap_4.c（支持內存分配與釋放，并能有效減少碎片）。對于極其簡單或從不釋放內存的應用，也可考慮?heap_1.c。

📝 操作步驟：

  1. 在你的工程目錄下（例如Middlewares/FreeRTOS）創建相應的子文件夾：Source,?Source/include,?Source/portable。

  2. 根據上表和你的芯片、編譯器情況，將FreeRTOS源碼包中對應的文件復制到剛剛創建的相應文件夾中。

  3. 從FreeRTOS源碼包的Demo文件夾里，找一個與你芯片型號相近的Demo工程，將其中的FreeRTOSConfig.h文件復制到你的工程目錄下（通常放在Inc目錄下便于包含）。

?? 工程配置與修改

1. 添加文件到IDE工程

  • 打開你的Keil MDK（或其他IDE）工程。

  • 在IDE中創建新的分組（Group），例如 "FreeRTOS_CORE", "FreeRTOS_PORTABLE"。

  • 將剛才復制到Middlewares/FreeRTOS/Source下的.c文件（如tasks.c,?queue.c等）添加到 "FreeRTOS_CORE" 分組。

  • 將你選擇的內存管理文件（如heap_4.c）和移植層文件（如port.c）添加到 "FreeRTOS_PORTABLE" 分組。

  • 不要添加其他未選擇的內存管理文件和移植層文件。

2. 添加頭文件路徑

在IDE的工程設置（"Options for Target" -> "C/C++" -> "Include Paths"）中，添加以下頭文件路徑35：

  • ../Middlewares/FreeRTOS/Source/include

  • ../Middlewares/FreeRTOS/Source/portable/[Compiler]/[Architecture]?(例如?../Middlewares/FreeRTOS/Source/portable/RVDS/ARM_CM3)

  • 確保也包含了存放FreeRTOSConfig.h文件的路徑（如../Inc）。

3. 修改FreeRTOSConfig.h

FreeRTOSConfig.h是FreeRTOS的核心配置文件，你需要根據你的芯片和項目需求進行修改。以下是一些最關鍵的配置項34：

配置宏說明與典型設置
configCPU_CLOCK_HZ設置為你STM32芯片的主時鐘頻率（Hz），例如STM32F103為72000000，STM32F407為168000000。可直接使用?SystemCoreClock。
configTICK_RATE_HZ系統節拍頻率。通常設置為1000Hz，表示1ms一個時鐘節拍。
configTOTAL_HEAP_SIZEFreeRTOS動態內存堆的總大小。根據你計劃創建的任務、隊列等數量估算。如果不夠，任務創建會失敗。例如可先設置為(10 * 1024)（10KB），后續再調整。
configMAX_PRIORITIES系統支持的最大任務優先級數。設置一個夠用的值即可，如5-8，不是越大越好。
configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY``configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY中斷優先級配置，非常重要！需要根據你芯片的NVIC優先級位數（如STM32F1/F4是4位，即0-15）和你的應用來設置。設置錯誤可能導致系統不穩定或無法運行。務必仔細查閱FreeRTOS手冊和芯片數據手冊。
configUSE_PREEMPTION設置為1啟用搶占式調度器，這是最常用的模式。
configUSE_TIMERS``configTIMER_TASK_PRIORITY``configTIMER_QUEUE_LENGTH``configTIMER_TASK_STACK_DEPTH如果你要使用軟件定時器，需要將這些配置使能并設置相關參數。

其他常用配置：你還可以根據需求使能或禁用互斥量(configUSE_MUTEXES)、遞歸互斥量(configUSE_RECURSIVE_MUTEXES)、事件組(configUSE_EVENT_GROUPS)、棧溢出檢查(configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW)等功能。

4. 處理中斷服務程序（ISR）

FreeRTOS需要接管SVC、PendSV和SysTick這三個中斷246。

  • 打開你的工程中stm32fxxx_it.c文件（例如stm32f1xx_it.c或stm32f4xx_it.c）。

  • 找到并注釋掉或刪除以下三個函數的具體實現：

    • SVC_Handler(void)

    • PendSV_Handler(void)

    • SysTick_Handler(void)

  • 原因：這些中斷的服務程序已經在你之前添加的移植層文件（如port.c）中實現了。如果不注釋掉，會導致函數重復定義。

注意SysTick的特殊情況：如果你的HAL庫仍然使用SysTick作為時基源（HAL_InitTick()），你可能需要修改SysTick_Handler而不是簡單地刪除它。一種常見的做法是28：

c

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"void SysTick_Handler(void)
{HAL_IncTick(); // 維持HAL庫的時基if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED) {xPortSysTickHandler(); // 調用FreeRTOS的SysTick Handler}
}

確保在FreeRTOSConfig.h中啟用了INCLUDE_xTaskGetSchedulerState宏。

5. 修改HAL庫的時基源（強烈推薦）

STM32的HAL庫默認使用SysTick作為其時基源（用于HAL_Delay(),?HAL_GetTick()等）。而FreeRTOS也使用SysTick作為其任務調度的時鐘節拍。雖然通過一些技巧可以讓兩者共享SysTick，但更推薦的做法是將HAL庫的時基源切換到另一個硬件定時器（如TIM1, TIM6等），以避免潛在沖突9。

  • 你可以在STM32CubeMX中重新配置：在SYS選項下，將Timebase Source從SysTick改為其他的硬件定時器（如TIM1）。

  • 或者直接修改代碼：在main.c的HAL_Init()調用之后，重新初始化一個定時器作為HAL庫的時基源。

🧪 編寫測試代碼

完成以上步驟后，就可以編寫簡單的FreeRTOS任務來測試移植是否成功了。

  1. 包含頭文件：在main.c中包含FreeRTOS頭文件。

    #include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h" // 如果需要使用隊列等功能

  2. 創建任務函數：定義至少一個簡單的任務函數。

    void vTaskLED(void *pvParameters) {for (;;) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); // 假設LED連接在PC13vTaskDelay(500); // 延遲500個時鐘節拍，即500ms (假設configTICK_RATE_HZ=1000)}
}

  3. 創建任務并啟動調度器：在main()函數的初始化代碼之后（while (1)之前）創建任務并啟動FreeRTOS調度器。

    int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();// ... 其他外設初始化代碼// 創建任務xTaskCreate(vTaskLED, "LED_Task", 128, NULL, 2, NULL);// 啟動FreeRTOS調度器，永遠不會返回vTaskStartScheduler();for (;;) {} // 調度器啟動后，不會執行到這里
}

🔬 編譯、下載與調試

  1. 編譯工程：解決所有編譯錯誤。常見的錯誤包括頭文件路徑不正確、函數未定義（可能是移植層文件沒添加或路徑錯誤）、重復定義（中斷服務函數沒注釋掉）等。

  2. 下載到開發板并運行。

  3. 觀察現象：如果一切正常，LED應該會以你設置的周期閃爍。

  4. 使用調試器：如果程序運行不正常，使用調試器進行單步調試，檢查系統是否能成功創建任務、是否成功啟動調度器、是否進入正確的硬件中斷等。

?? 常見問題排查

  • 編譯錯誤?undefined reference to ...: 檢查FreeRTOS的.c文件是否都已添加到工程組中，頭文件路徑是否設置正確。

  • 編譯錯誤?redefinition of ...: 檢查stm32fxxx_it.c中的SVC、PendSV、SysTick中斷處理函數是否已注釋掉。

  • 程序在啟動調度器后卡死或進入HardFault:

    • 檢查FreeRTOSConfig.h中的configCPU_CLOCK_HZ是否設置正確。

    • 檢查FreeRTOSConfig.h中的中斷優先級配置（configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY和configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）是否正確。這是非常常見的錯誤來源。

    • 檢查堆大小configTOTAL_HEAP_SIZE是否足夠創建初始任務。

    • 使用調試器檢查是否成功進入SVC_Handler（用于啟動第一個任務）。

  • SysTick中斷沖突: 確保HAL庫的時基源已切換至非SysTick的定時器，或者按照前述方法修改了SysTick_Handler函數。

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