[STM32]从零开始的STM32 FreeRTOS移植教程

一、前言

如果能看到这个教程的话，说明大家已经学习嵌入式有一段时间了。还记得嵌入式在大多数时候指的是什么吗？是的，我们所说的学习嵌入式大部分时候都是在学习嵌入式操作系统。从简单的一些任务状态机再到复杂一些的RTOS，再到最复杂的Linux，这些都属于嵌入式操作系统的一种，只是简单与复杂的区别。在之前，我们开发STM32时采用的都是裸机开发所以对实时系统并没有什么概念，接触RTOS会接触到一种新的编程方式。当然，因为RTOS已经引入了系统的概念了，所以代码看起来与调试起来也更加抽象。但，就现在而言，实时操作系统仍然是许多公司要求嵌入式工程师必会的技能之一。所以，如果你准备好了，就让我们一起来移植RTOS吧！

二、在开始之前

因为已经涉及到嵌入式系统了，所以还请学习这篇教程的小伙伴有一定的STM32基础，我始终不推荐纯小白直接接触RTOS。在这篇教程中，我会教大家如何下载RTOS的代码固件包，如何将RTOS移植到对应的单片机中，以及如何解决一些常见的问题。当然，你也可以下载我下面给的资料，资料中会包含本次会用到的RTOS源码包和我已经移植好的工程：

RTOS移植资料：https://pan.baidu.com/s/1YbfUm1LUSomslaGWqJ-g4w?pwd=clxm

提取码：clxm

三、芯片的选择

因为RTOS是一个嵌入式操作系统，RTOS强调的是代码的实时性，比起裸机开发，它并不能提高芯片的性能，相反，它是一个消耗芯片性能的软件。在运行了RTOS以后，我们芯片的资源就被占用了一部分，这也会让我们的可编程范围变小了。既然是这样，那为什么我们还需要嵌入式操作系统呢？当然是为了实时性呀，裸机在开发时，代码始终顺序执行，这也导致了我们有的步骤要等很久才会执行到，在某些特定的情况下就可能出现问题。如果使用实时操作系统，它会合理分配每一个任务的执行时间，保证我们每一个任务都执行一段时间，不会有任务长期阻塞程序。当然，我们这次的重点并不是RTOS的原理，如果想要了解RTOS详细原理与系统性的学习的话，还是建议大家去看一些视频教程。这里话又说回来，因为RTOS会消耗一部分的性能，所以有的芯片可能无法运行RTOS，这里我会使用STM32F407ZGT6进行RTOS的移植演示，我并不推荐大家使用STM32F103C6T6单片机，这款单片机在移植RTOS时可能会出现你无法解决的错误。在移植RTOS时尽量选择RAM与ROM都比较大的芯片。这样代码在编译时也不容易报错。

四、RTOS系统固件包的下载

RTOS的虽说是一个操作系统，但是本质上还是代码构成的，在这里面我们仍然可以看到.c .h文件。所以，移植RTOS简单来说，就是将对应的C语言代码在STM32中运行起来。所以我们现在需要下载RTOS的固件包，这里我们直接在浏览器中搜索"FreeRTOS":

我们可以看到，这里搜索出来的第一个网站就是FreeRTOS的官网了：

当然，如果你没有找到FreeRTOS的官网的话，也可以点击下方的链接前往：

FreeRTOS官网：FreeRTOS™ - FreeRTOS™

进入FreeRTOS的官网以后，就可以看到以下页面了：

如果你这里不是中文的，可以点击右上角这里切换语言：

接着，我们点击网页中的"下载"：

点击了下载以后，弹出的窗口中会让我们选择要下载的版本：

这里我推荐大家使用2022或者2020的版本，这些版本经过了几年的迭代已经非常稳定了。如果你是小白的话，建议下载和我一样的版本，以保证文件的统一。

我们选择好版本以后，直接点击"Download":

随后浏览器就会弹出下载了：

我们将其下载到我们能找到的地方：

如果你这里无法打开RTOS的官网或者是无法下载RTOS的固件包，那么你就可以打开我给的资料中的RTOS固件包文件夹，这里有我已经下载好的固件包：

下面，我们再将下载的压缩包解压得到以下文件夹：

至此，我们RTOS系统的固件包就已经下载完成了。

五、RTOS的移植

当我们准备好了RTOS系统的固件包以后，就可以开始移植了，这里我们移植RTOS系统是在原本的工程之上，所以，首先就要保证我们有一个对应芯片的对应工程模板。我这里使用的是STM32F407ZGT6芯片，所以准备的也是STM32F407ZGT6的工程，如图：

我们进入工程，这里需要我们的工程编译没有错误：

下面我们直接写一个LED的代码，证明我们的硬件没有问题,这个地方的点灯代码很简单，就不多说了，我的LED在PA12口上，并且为高电平点亮：

将程序编译下载到芯片后，就可以看到LED已经亮起了，证明我们的硬件方面没有问题：

下面，我们就要在这个原本的工程上移植RTOS。

首先需要在工程的主目录下新建一个RTOS的文件夹用来存放RTOS的相关文件：

我们进入这个RTOS的文件夹，然后新建三个文件夹，分别是"inc"，"src"，"port":

这里的inc文件夹用来存放RTOS的头文件和配置文件，src用来存放RTOS的源文件，port用来存放RTOS的内存管理文件。

我们现在去RTOS固件包解压出来的文件夹中复制文件，我们进入解压后的文件夹就可以看到以下文件夹和文件：

这里我们再进入"FreeRTOSv202212.01"文件夹下的"FreeRTOS"文件夹，可以看到以下文件和文件夹：

然后我们再进入"FreeRTOS"文件夹下的"Source"文件夹，这里面的文件就是我们要用的了：

这里我们首先将"Source"文件夹下的所有.c的文件复制到刚才工程目录中创建的"RTOS\src"文件夹下：

这里需要注意的是，我们只需要复制.c，多余的文件如果被复制过去了删除就行了。

随后，我们再把"Source"文件夹下的"include"文件夹下的所有.h的文件复制到"RTOS\inc"文件夹下

这里同样的只要.h文件，不能复制别的文件。

随后我们进入"Source"文件夹下的"portable"文件夹，看到以下文件夹：

这里包含了RTOS的内存管理文件和不同编译器的相关文件。这里我们首先来复制内存管理文件，我们进入"portable"文件夹下的"MemMang"文件夹，将"heap_4.c"文件复制到工程目录下的"RTOS\port下"：

这里的内存管理文件我们一般都用4，如果你是小白的话请不要随意修改。

随后我们再打开"portable"文件夹下的"RVDS"文件夹，可以看到以下文件夹：

这里面对应了RVDS集成编译环境不同的ARM内核的编译规则文件。因为我这里使用的是STM32F407ZGT6单片机，所以这里首先肯定要选择M4内核，因为STM32F407ZG系列都不附带MPU所以我们这里直接选择"ARM_CM4F"文件夹，我们将"RVDS\ARM_CM4F"下的文件复制到工程目录下的"RTOS\port"下：

至此，我们RTOS的基本文件就已经复制完成了，这里我们还需要复制一下配置文件。配置文件被放在了"FreeRTOSv202212.01\FreeRTOS\Demo"目录下，进入这个目录，我们就能看到非常多的芯片型号，这些芯片官方都提供的相关的Demo,我们只需要在对应的芯片Demo中寻找配置文件即可：

因为这里我使用的是STM32F407ZGT6的芯片，所以我芯片所对应的配置文件就被存放在了"CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK"文件夹下。大家可以根据自己的芯片型号和对应的IDE寻找相关的Demo：

这里我们进入"CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK"文件夹，文件夹中的"FreeRTOSConfig.h"就是我们需要的配置文件了，我们将其复制到工程目录下的"RTOS\inc"下：

至此，我们RTOS运行所需的所有文件都已经复制完成了，我们直接打开工程：

接着，我们把刚才复制的文件添加的工程中，点击菜单栏中的箱子：

我们这里新建三个文件夹，分别是"RTOS\inc"，"RTOS\src"，"RTOS\port":

接着将对应文件夹中的文件添加进来，这里一定要对应好，不要添加错了：

这里要注意的是，一定是把对应的所有文件添加进来以后再进行下一步。

我们再在魔术棒中将对应文件夹的路径添加进来，这里路径添加很基础，就不细讲了：

将文件添加进来以后，我们点击编译，这里的编译肯定会报错的，我们慢慢来解决：

这里的错误提示我们"configSYSTICK_CLOCK_HZ"这个变量没有定义。这里我们去到配置文件中，大概在40行左右，可以看到这样一条条件编译：

这里是为了判断是否是使用IAR编译器，我们这里使用的是keil，这条条件编译肯定不会过的。我们将这一条条件编译修改一下，改成下面这样：

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

这里修改了条件编译以后就可以兼容keil，IAR, GCC编译器了。

我们再次编译，出现三个重复定义的错误，因为这三个函数在STM32原本的库中已经被定义过了，但是在RTOS的库中又被定义了一次。既然我们要使用RTOS那当然也要用RTOS的处理函数，这里我们直接将原本的函数注释掉：

原本的函数被写在了"stm32f4xx_it.c"中，我们分别将其注释掉，通过报错我们可以得知，这里被重复定义的函数分别是"PendSV_Handler","SVC_Handler"，"SysTick_Handler"：

注释后如图：

这里将重复定义的函数注释掉以后，我们再次编译，我们可以看到这几个函数没有被定义：

这里又需要我们修改配置文件了，我们同样的打开配置文件我们将配置文件中的如下几项的值改为0：

#define configUSE_IDLE_HOOK				0
#define configUSE_TICK_HOOK				0
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW	0
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK	0

修改完配置文件以后，我们再次编译：

可以看到，现在已经没有报错了，我们现在就算是移植完成了，我们可以写一点代码来试一下，首先回到"main.c",这里我们先在main.c中引入RTOS相关的头文件：

#include "freertos.h"
#include "task.h"

然后我们创建一个任务函数：

void LED(void* age)
{
	while(1)
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_12);
		vTaskDelay(500);
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_12);
		vTaskDelay(500);
	}
}

这里就是我们的任务函数了，控制了LED的亮灭，注意，任务函数进入以后一定是在一个死循环中，任务函数不能返回，不然可能引发一些错误。在使用了RTOS以后，我们的所以延时都要使用RTOS中的相对延时。

在主函数中，我们写引脚的初始化和任务的创建：

int main(void)
{
	TaskHandle_t myTaskHandle_t;
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	delay_init(168);
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_12);
	
	xTaskCreate(LED,"LED",128,NULL,2,&myTaskHandle_t);
	vTaskStartScheduler();
    while(1)
	{
			
	}
}

这里主要解释一下"xTaskCreate"函数。xTaskCreate用于创建RTOS中的任务。这里的第一个参数为任务函数的名称，我们这里任务函数名为"LED"所以第一个参数就传入LED，第二个参数是任务的名字，要求传入字符串格式的，我们这里传入一个字符串即可。第三个参数是为任务分配的内存，我们这里的任务只是点灯而已，所以不用分配太大，直接128就已经很充足了。第四个参数是向任务中传入的参数，我们这里没有参数要传入，直接写NULL，第五个参数是任务的优先级，因为只有一个任务，也不存在谁优先的问题，随便写个优先级即可。最后要我们传入一个"TaskHandle_t "类型的结构体指针，我们直接定义一个结构体，取它的地址传入即可。

随后，我们再使用vTaskStartScheduler函数启动任务调度器。当调度器启动以后，STM32就已经被系统接管了。

我们将代码编译下载到开发板中，可以看到LED正常闪烁：

至此，我们的RTOS已经算是移植成功了。当然RTOS的知识还很多，能够运用只是第一步。

六、结语

本次我们讲解了如何下载RTOS的固件包，以及如何复制RTOS的相关文件，以及在遇到错误以后如何解决。内容比较多，还是希望大家多吸收一下。那么最后，感谢大家的观看！