【FreeRTOS】在Cortex-M4开发板上移植FreeRTOS并且实现LED灯闪烁（保姆级教程）

- 相信有不少小伙伴手上只有M4的开发板，想要移植FreeRTOS；但是，网上大部分都是M3移植教程。因此，陷入深深的迷茫中，难不成只能使用仿真了？？？🤔因此，小编特意写了一篇关于M4的移植教程。本文移植基于以下软硬件平台：
  - 硬件平台为：主板为Cortex-M4芯片的开发板，此处，小编将以蓝桥杯嵌入式开发板------STM32G431RBT6开发板作为示例；
  - 软件系统为：FreeRTOSv202212.00；
  FreeRTOS简介
  
  在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统正得到越来越广泛的应用。采用嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。 FreeRTOS就是一款嵌入式实时操作系统，并且还是一款"开源免费"的实时操作系统，遵循GPLv2+的许可协议。好好使用该系统，大家将告别裸机开发，迈向基于操作系统的程序开发。其功能与特点有：
  - 用户可配置内核功能；
  - 多平台的支持；
  - 提供一个高层次的信任代码的完整性；
  - 目标代码小，简单易用；
  - 遵循MISRA-C标准的编程规范；
  - 强大的执行跟踪功能；
  - 堆栈溢出检测；
  - 没有限制的任务数量；
  - 没有限制的任务优先级；
  - 多个任务可以分配相同的优先权；
  - 队列，二进制信号量，计数信号灯和递归通信和同步的任务；
  - 优先级继承；
  - 免费开源的源代码；
  项目工程建立
  
  由于STM32G431RBT6无法直接使用Keil建立工程，需要借助CubeMx才能完成此工作，因此，项目工程建立都是基于CubeMx的 ，当然，~~如果大家会使用CubeMx建立工程或者开发板可以不使用CubeMx建立工程就可跳过此部分。~~
  
  模板工程配置
  - 步骤一：打开CubeMX后，初始化时钟RCC ，使用无源外部晶振；
  - 步骤二：调整系统主频至80MHz ；
  - 步骤三：配置工程信息；
  LEDCubeMX配置
  - PC8-PC15 配置成 GPIO_OutPut,将默认电平电平设置成高电平,不加上拉下拉;
  - PD2配置成GPIO_OutPut ,将默认电平设置成低电平,不加上拉下拉； ~~每次使用LED时一定要记得将PD2拉高拉低，也就是打开关闭锁存器；否则，本次操作就会变成无效操作。~~
  FreeRTOS下载以及移植步骤
  
  下载？🤔当然还是进入官网下载啦！🤣🤣🤣FreeRTOS官网解压后可以得到以下文件，而目标文件则是第一个FreeRTOS。移植时需要将source里的大部分文件全部移植，因此可以将整个文件夹都搬过去，而demo中的文件是使用示例，在测试时可以康康里面的示例。在Source/portable文件夹中，我们需要的就是内存管理文件与处理器文件，其余的文件暂时用不到，可以将除RVDS与MemMang两个文件夹外其余所有的文件夹都删掉。 Source/portable/RVDS文件夹中，其提供了里面包含了各种处理器相关的文件，如图所示，因为本次所使用开发板的处理器是M4，因此要保留ARM_CM4F 文件夹的内容，可以将其他内容都删除。ARM_CM4F中，ARM_CM4表示其处理器为M4，F表示支持该芯片加强了浮点运算。 Source/portable/MemMang文件夹中，其提供的是一些内存管理文件，共有5个，各个文件解释如下：
  - heap1：最简单的内存管理，管理的其实是一个静态全局变量，只允许分配，不允许释放，设计之初就是用于创建信号量、任务、队列一般不需要释放的数据,不过在FreeRTOS V9.0.0及其以后版本添加 support for static allocation基本就被替代了。
  - heap2.：比1多了内存释放，分配也因为有内存释放原因多了一个最佳适配算法，不过在内存释放后没有空闲块合并的功能，只适合信号量队列任务等大小固定的内存分配，随机大小的内存分配释放会因为内存碎片问题而无法进行。后面heap4是heap2的优化版。
  - heap3：简单封装标准C库mallco和free，提供线程安全。
  - heap4：一般来说FREERTOS五种堆管理里这个是最常见使用的了，首次适配算法，heap2的优化版，多了相邻内存碎片合并功能，内存碎片的风险少很多，不过没有MMU的芯片没有逻辑地址和物理地址的映射概念，内存分配就是一个萝卜一个坑，想做内存紧凑比较费劲。
  - heap5：比heap4多了不连续地址多段内存管理，分配释放代码完全一样。
  删除部分文件后完整的移植所需的内核文件如下：
  
  移植后验证
  
  目标： 首次实验的目标是，使用FreeRTOS创建两个任务，即：任务一：LED1以合适的时间间隔闪烁；任务二：LED2以合适的时间间隔闪烁；由于FreeRTOS是一个可配置的实时操作系统，因此在使用前还需要配置其功能，也就是设置宏定义的值，否则编译时会报错。
  
  程序
  
  首先，给大家展示小编理想代码
  
  其思路是：
  - 1.创建两个任务，并且保存创建时的返回值；
  - 2.判断两个任务是否都创建成功，如果失败，就点亮LED6,；否则就进入裸机的while(1)中，执行裸机程序，将不再执行下面步骤;
  - 3.开启FreeRTOS的任务调度；
  可以看出来实现步骤非常简单，而且下面的任务函数也非常简单；但是在实际使用时，一旦所有任务经vTaskDelay函数进入阻塞状态，这些任务将无法恢复，整个系统就会处于空闲状态（也就是没有任何正在执行的任务）。🤔🤔🤔 这个问题小编暂时还未解决方法，如有必要，后续会出一篇文件讲解这个问题。
  c 复制代码
```
//任务控制权柄
TaskHandle_t xHandleTsak[2];
/*****************************************
* 函数功能：freertos工作函数
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void freertosWork(void)
{
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[2] ;
	
	//动态创建任务1
	xReturn[0] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task1,//任务入口函数
				(const char *)"task1",//任务名字
				(uint16_t)100,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[0]//任务控制块
				);
	
	//动态创建任务2
	xReturn[1] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task2,//任务入口函数
				(const char *)"task2",//任务名字
				(uint16_t)100,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[1]//任务控制块
				);	
	//创建成功 
	if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1])
		//启动任务，开启调度 
		vTaskStartScheduler(); 
	//创建失败
	else
		//点亮LED6
		changeLedStateByLocation(LED6,ON);
}

//任务1
void task1(void)
{
	const volatile TickType_t xDelay1000ms = pdMS_TO_TICKS( 1000UL );
	while(1)
	{
		//LED1反转状态
		rollbackLedByLocation(LED1);
		vTaskDelay( xDelay1000ms );
	}
}

//任务2
void task2(void)
{
	const volatile TickType_t xDelay1000ms = pdMS_TO_TICKS( 900UL );
	while(1)
	{
		//LED2状态反转
		rollbackLedByLocation(LED2);
		vTaskDelay( xDelay1000ms );
	}
}
```
  这是小编实际使用的代码 其实，实际使用的代码跟上述代码大部分一样，并且逻辑也大致相似。不同的是，实现LED灯闪烁的方式，也就是任务的阻塞态与运行态转换的方式不同 。本来是打算借助于vTaskDelay函数实现的，但是一旦出现该函数，程序就会死机；因此，小编打算使用空闲任务来定时激活两个任务，这里的前提条件是两个任务一旦执行完一次就必须进入挂起状态（阻塞状态），因为只有这样，该空闲任务才能重新激活已经挂起的任务。
  c 复制代码
```
//任务控制权柄
TaskHandle_t xHandleTsak[2];
//存储计数值
volatile uint32_t count[3] = {0,0,0};

/*****************************************
* 函数功能：freertos工作函数
* 函数参数：无
* 函数返回值：无
*****************************************/
void freertosWork(void)
{
	//存储创建任务的返回值
	BaseType_t xReturn[2] ;
	
	//动态创建任务1
	xReturn[0] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task1,//任务入口函数
				(const char *)"task1",//任务名字
				(uint16_t)100,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[0]//任务控制块
				);
	
	//动态创建任务2
	xReturn[1] = xTaskCreate(
				(TaskFunction_t )task2,//任务入口函数
				(const char *)"task2",//任务名字
				(uint16_t)100,//任务栈大小
				(void*)NULL,//任务入口参数
				1,//任务优先级  优先级越高，任务优先选越高
				&xHandleTsak[1]//任务控制块
				);	
	//创建成功 
	if (pdPASS == xReturn[0] == xReturn[1])
		//启动任务，开启调度 
		vTaskStartScheduler(); 
	//创建失败
	else
		//点亮LED6
		changeLedStateByLocation(LED6,ON);
}

//任务1
void task1(void)
{
	const volatile TickType_t xDelay1000ms = pdMS_TO_TICKS( 1000UL );
	while(1)
	{
		//LED1反转状态
		rollbackLedByLocation(LED1);
		//挂起任务
		vTaskSuspend(xHandleTsak[0]);
	}
}

//任务2
void task2(void)
{
	const volatile TickType_t xDelay1000ms = pdMS_TO_TICKS( 900UL );
	while(1)
	{
		//LED2状态反转
		rollbackLedByLocation(LED2);
		//挂起任务
		vTaskSuspend(xHandleTsak[1]);
	}
}

//空闲任务
void vApplicationIdleHook (void)
{
	if(count[0]++ % 900000 == 0)
		//恢复任务1
		vTaskResume(xHandleTsak[1]);
	else if(count[0] % 1000000 == 0)
		//恢复任务0
		vTaskResume(xHandleTsak[0]);										
}
```
  移植时遇到的典型问题
  
  问题一：中断服务函数重复
  
  问题描述：该报错是因为FreeRTOS中断服务函数与Cortex-M4中断服务函数重复；问题解决：
  - 1.使用弱定义__weak修饰其中一个函数；
  - 2.删除其中一个函数；
  问题二：汇编代码报错
  
  问题描述：该报错是因为汇编代码操作数据时数据类型有误；
  
  问题解决：将stm32g431xx.h文件（指的是芯片头文件）中__NVIC_PRIO_BITS 声明的值由4U改成4即可，如下图；
  
  问题三：芯片空间不足
  
  问题描述：由于芯片空间不足就会出现类似 freertosTest\freertosTest.axf: Error: L6406E: No space in execution regions with .ANY selector matching heap_4.o(.bss).的报错解决方法：该问题小编暂时还未解决，不过网上有很多博客都在解释这个报错，有兴趣的朋友可以去看看。看到这，相信大部分朋友可能会问：小编都没有解决这个问题，那这个工程时咋跑起来的呢？这不框我嘛😢😢😢。别急，小编这就告诉你原因，正如小编前面所说，小编一开始是移植一位大佬线程的FreeRTOS操作系统的，但是呢，在多方面尝试后，发现咋都不行；因此，小编就去官网下载了官方的FreeRTOS，再参考大佬的移植步骤，最后移植出一个可使用的带FreeRTOS操作系统的G431开发板😁😁😁。
  
  小结
  
  虽然移植过程非常磨人，也花了很多时间去写bug与修bug，但是好在最终还是弄出来了。总的来说移植并不难，只要大家找对芯片信号，再仔细对照教程移植，相信大家总会拥有一个带操作系统的开发板🎉🎉🎉。
  
  福利
  
  下边是小编个人整理出来免费的、保姆级的 蓝桥杯嵌入式福利，有需要的童鞋可以自取哟！🤤🤤🤤 【蓝桥杯嵌入式】第十一届蓝桥杯嵌入式省赛(第二场)程序设计试题及其题解【蓝桥杯嵌入式】第十二届蓝桥杯嵌入式省赛程序设计试题以及详细题解【蓝桥杯嵌入式】第十三届蓝桥杯嵌入式省赛程序设计试题及其详细题解【蓝桥杯嵌入式】第十三届蓝桥杯嵌入式省赛（第二场）程序设计试题及其题解
  
  最后，欢迎大家留言或私信交流，共同进步哟！😉😉😉
  
  追更1：解决理想代码无法使用
  
  经过小编不懈努力，终于确定使用上述理想代码报错的原因啦！！！
  
  问题在现及说明
  
  对，没错，理想代码没有实现就是因为主板捕捉到了硬件错误（HardFault_Handler） ,网络上也有很多关于该报错的解决方案，常见的报错分类有：
  - 内存溢出，访问越界；
  - 堆栈溢出，程序跑飞；
  - 数组越界；
  - 中断处理错误；
  首先说明，小编在初始化硬件资源时，有用到LED与LCD，本来是打算利用FreeRTOS创建两个点灯任务，并且显示在LCD屏上当前任务名称。这就是导致出现的HardFault_Handler的原因，也就是说LCD初始化时出现了问题，就这个无意间的任务让小编找了两三天错误🤣🤣🤣。这里LCD初始化、显示使用硬件IIC实现，也有可能是因为LCD是由硬件实现的所以导致小编整个FreeRTOS任务执行失败😢😢😢。至于，上述代码是怎么实现LCD与LED同时工作的嘛，这里小编可以讲解一下：
  - 首先，不给FreeRTOS设置基础时钟，也就是注释#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler ;
  - 其次，使用任务挂起与二次唤醒机制来实现任务切换。当然了，这里需要借助空闲任务来实现唤醒；
  解决方法
  
  因为小编刚开始学FreeRTOS，因此这里的解决方法比较简单粗暴------将关于LCD部分的代码完全注释。后续小编还会尝试使用软件IIC，尝试解决该错误🤣。
  
  第一次在蓝桥杯嵌入式STM32G431RBT6开发板上使用FreeRTOS操作系统点亮LED灯完整视屏
  
  追更2：解决FreeRTOS无法与LCD一起使用的问题以及使用CubeMX建立FreeRTOS项目
  
  针对上述代码LCD无法与FreeRTOS同时使用的问题，其主要原因是FreeRTOS的时钟配置问题。
  
  解决方法1： 小编提出的第一个解决方法，是配置FreeRTOS时钟与STM32时钟，即解决FreeRTOS时钟配置问题。
  - 步骤1：在freeRTOSConfig.h文件中添加以下FreeRTOS与STM32时钟相关的配置；
  c 复制代码
```
/* freertos与中断服务函数相关的配置 */
#define xPortPendSVHandler 	PendSV_Handler
#define vPortSVCHandler 	SVC_Handler
#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState 1
```
  - 步骤2：在stm32g4xx_it.c文件中将下FreeRTOS的滴答时钟与STM32的滴答时钟想关联，依次保证STM32滴答时钟与FreeRTOS滴答时钟正常工作；这里注意，下图中蓝色框中的内容一定要添加，否则FreeRTOS的时钟还是无法使用。🙂
  解决方法2： 于是乎小编提出一个第二个解决方法，即使用CubeMX来建立一个FreeRTOS项目 。项目建立时，硬件初始化步骤跟第二部分-项目工程建立是一样的，可以参考上文即可。下面就是freeRTOS项目建立的关键步骤，即使能FreeRTOS与创建新的任务，这里需要注意，第一个任务defaultTask是一个默认任务。
  
  工程创建成功后，大家可以直接在默认任务或者新建任务中写下自己想要实现的功能。如，小编想要实现移植后验证的目标功能，那么freeRTOS的三个任务分别为
  c 复制代码
```
/* USER CODE BEGIN Header_StartDefaultTask */
/**
  * @brief  Function implementing the defaultTask thread.
  * @param  argument: Not used
  * @retval None
  */
/* USER CODE END Header_StartDefaultTask */
void StartDefaultTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartDefaultTask */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
	//LED2状态反转
	rollbackLedByLocation(LED1);
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END StartDefaultTask */
}

/* USER CODE BEGIN Header_StartTask02 */
/**
* @brief Function implementing the myTask02 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_StartTask02 */
void StartTask02(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask02 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    //LED2状态反转
	rollbackLedByLocation(LED2);
    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END StartTask02 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_StartTask03 */
/**
* @brief Function implementing the myTask03 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_StartTask03 */
void StartTask03(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask03 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    //LED2状态反转
	rollbackLedByLocation(LED3);
    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END StartTask03 */
}
```

【FreeRTOS】在Cortex-M4开发板上移植FreeRTOS并且实现LED灯闪烁（保姆级教程）

FreeRTOS简介

项目工程建立

FreeRTOS下载以及移植步骤

移植后验证

程序

移植时遇到的典型问题

问题一：中断服务函数重复

问题二：汇编代码报错

问题三：芯片空间不足

小结

福利

追更1：解决理想代码无法使用

追更2：解决FreeRTOS无法与LCD一起使用的问题以及使用CubeMX建立FreeRTOS项目