在STM32F103上进行FreeRTOS移植和配置（STM32CubeIDE）

谱写秋天2025-08-17 17:14

个人博客：blogs.wurp.top

一. 创建新工程 (以STM32CubeIDE为例)

  1. 核心组件：

    • 硬件： STM32F103开发板 (如常见的"Blue Pill"板)
    • 开发环境：
      • 选项1： Keil MDK-ARM (uVision) + STM32F1xx Device Family Pack (DFP)
      • 选项2： STM32CubeIDE (推荐，集成度更高)
    • 软件：
      • FreeRTOS源码 (从官网或STM32CubeF1库获取)
      • STM32标准外设库 (StdPeriph) 或 HAL库 (推荐使用CubeIDE自带的HAL)

  2. 打开STM32CubeIDE。

  3. File -> New -> STM32 Project。

  4. 在Target Selection窗口：

    • 在Part Number搜索框输入STM32F103C8 (或你的具体型号，如F103RC)。
    • 选择正确的型号 (例如STM32F103C8Tx)。
    • 点击Next。

  5. 输入项目名称 (如FreeRTOS_Demo)，选择项目位置。

  6. 点击Finish。IDE会自动生成基于HAL库的初始化代码框架。

二. 启用并配置FreeRTOS

  1. 在Project Explorer中双击打开*.ioc文件 (CubeMX配置文件)。
  2. 转到Middleware选项卡。
  3. 在左侧列表中选择FREERTOS。
  4. 在Mode下拉菜单中，选择Interface为CMSIS_V2 (这是FreeRTOS的CMSIS-RTOS API v2封装层，标准化且易用)。
  5. 配置内核参数 (关键步骤！):
    • CONFIG 子选项卡：
      • Kernel settings:
        • TICK_RATE_HZ: 系统时钟节拍频率。通常设置为1000 (1ms)。注意： 这个值必须与SysTick中断频率匹配（在Clock Configuration中设置，通常HCLK / 1000）。
        • MAX_PRIORITIES: 最大任务优先级数。默认56通常足够，资源紧张时可减小（如7）。
        • MINIMAL_STACK_SIZE: 最小任务栈大小（字为单位，1字=4字节）。默认128字(512字节)。重要： 根据任务复杂度调整！简单任务可能够用，复杂任务（大量局部变量、函数调用深）需要增加（如256或512字）。栈溢出是常见错误源！
        • TOTAL_HEAP_SIZE: FreeRTOS堆总大小（字节）。这是关键资源！ STM32F103C8只有20KB RAM，需谨慎分配。初始值10240(10KB)是常用起点。观察后续应用使用情况调整（使用xPortGetFreeHeapSize()或uxTaskGetStackHighWaterMark()监控）。
        • Memory management scheme: 内存分配方案。推荐heap_4 (碎片管理较好)。heap_1或heap_2更简单但碎片严重。
      • Include parameters: 按需启用API（如vTaskDelayUntil(), Task notifications等），默认通常够用。
    • Tasks and Queues 子选项卡 (可选)：可以在这里图形化创建初始任务（设置名称、优先级、栈大小、入口函数等）。对于学习，建议在代码中手动创建。
    • Timers and Semaphores 子选项卡 (可选)：图形化创建软件定时器、信号量、互斥量、队列等。同样建议在代码中学习创建。
  6. 配置时钟 (SysTick):
    • 转到Clock Configuration选项卡。
    • 确保HCLK (AHB总线时钟) 是你期望的主频 (如72MHz)。
    • 确认SysTick的时钟源是HCLK (通常默认是)。
    • 关键： 确保SysTick中断频率等于你在FreeRTOS中设置的TICK_RATE_HZ。FreeRTOS依赖SysTick作为时基。例如，HCLK=72MHz，TICK_RATE_HZ=1000，则SysTick Reload Value应设置为72000 (72,000,000 / 1000 = 72,000)。
  7. 保存配置： 点击File -> Save或工具栏的保存图标。CubeIDE会自动生成FreeRTOS配置代码和初始化代码。

三. 理解自动生成的FreeRTOS相关代码

保存.ioc后，CubeIDE会自动更新工程：

  • Core/Src/freertos.c: 包含MX_FREERTOS_Init()函数。如果你在CubeMX中图形化创建了任务/信号量等，它们的创建代码会在这里生成。这是FreeRTOS对象的初始化入口。
  • Core/Inc/FreeRTOSConfig.h: 极其重要！ 这是FreeRTOS的主要配置文件。它定义了：
    • 你在CubeMX中设置的所有参数 (configTICK_RATE_HZ, configTOTAL_HEAP_SIZE, configMINIMAL_STACK_SIZE, configMAX_PRIORITIES, configUSE_PREEMPTION等)。
    • 硬件相关设置 (如configCPU_CLOCK_HZ, configSYSTICK_CLOCK_HZ)。
    • 启用的API函数 (configUSE_MUTEXES, configUSE_RECURSIVE_MUTEXES, configUSE_COUNTING_SEMAPHORES, configUSE_QUEUES等)。
    • 内存对齐 (configTOTAL_HEAP_SIZE)。
    • 钩子函数 (configUSE_IDLE_HOOK, configUSE_TICK_HOOK等)。
    • 移植层定义： configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY (通常设置为15，即最低优先级，确保FreeRTOS API调用不会屏蔽其他中断), configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY (通常设置为5，高于此优先级的中断不会被FreeRTOS管理，也不能调用FreeRTOS API)。STM32F103的优先级数值越小优先级越高 (0最高, 15最低)。
  • Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/: 存放FreeRTOS内核源码 (tasks.c, queue.c, list.c, timers.c等) 和内存管理方案 (heap_x.c)。
  • Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/portable/[Compiler]/ARM_CM3/: 包含针对Cortex-M3架构和特定编译器 (如GCC, Keil) 的移植层代码。最关键的文件是port.c (实现任务切换、SysTick中断处理、PendSV中断处理等) 和portmacro.h (定义数据类型、关键宏、内联汇编等)。

四. 编写应用程序代码 (创建任务)

通常在Core/Src/main.c的main()函数中或MX_FREERTOS_Init()之后创建任务。

示例：创建两个简单任务 (LED闪烁 & 串口打印)

c 复制代码 
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include "gpio.h" // 确保包含HAL GPIO头文件
#include "usart.h" // 如果使用串口

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void vTaskLED(void *pvParameters);
void vTaskPrint(void *pvParameters);

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config(); // CubeIDE自动生成
  MX_GPIO_Init();       // CubeIDE自动生成
  MX_USART1_UART_Init(); // 如果使用串口，CubeIDE自动生成
  MX_FREERTOS_Init();   // **重要！** 初始化FreeRTOS对象（任务/队列等，如果有图形化创建）和内核。这个函数会调用vTaskStartScheduler()。

  /* 如果MX_FREERTOS_Init()里没有启动调度器，或者你想在它之后创建任务，需要手动调用vTaskStartScheduler() */
  // vTaskStartScheduler();

  /* 正常情况下，vTaskStartScheduler() 永远不会返回 */
  while (1);
}

/* 任务1：闪烁LED */
void vTaskLED(void *pvParameters) {
  (void)pvParameters; // 防止未使用参数警告
  const TickType_t xDelay500ms = pdMS_TO_TICKS(500); // 将毫秒转换为节拍数

  for (;;) {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); // 假设LED在PC13
    vTaskDelay(xDelay500ms); // 阻塞延时500ms，让出CPU
  }
}

/* 任务2：串口打印 */
void vTaskPrint(void *pvParameters) {
  (void)pvParameters;
  const TickType_t xDelay1000ms = pdMS_TO_TICKS(1000);
  char msg[] = "Hello from FreeRTOS!\r\n";

  for (;;) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY); // 假设使用USART1
    vTaskDelay(xDelay1000ms); // 阻塞延时1秒
  }
}

/* 在合适的地方创建任务 (例如在MX_FREERTOS_Init()之前或在MX_FREERTOS_Init()里面) */
void MX_FREERTOS_Init(void) {
  /* 创建LED任务 */
  if (xTaskCreate(
        vTaskLED,            /* 任务函数指针 */
        "LED Task",          /* 任务名称 (字符串) */
        128,                 /* 栈深度 (单位：字，4字节/字) - 根据需求调整！ */
        NULL,                /* 传递给任务的参数 */
        2,                   /* 任务优先级 (0是最低，configMAX_PRIORITIES-1是最高) */
        NULL                 /* 任务句柄 (用于后续引用任务，可设为NULL) */
      ) != pdPASS) {
    /* 任务创建失败！处理错误 (例如循环或挂起) */
    Error_Handler();
  }

  /* 创建打印任务 */
  if (xTaskCreate(
        vTaskPrint,
        "Print Task",
        256,                 /* 串口任务可能需要稍大一点的栈 */
        NULL,
        1,                   /* 优先级低于LED任务 */
        NULL
      ) != pdPASS) {
    Error_Handler();
  }

  /* FreeRTOS内核启动 */
  vTaskStartScheduler(); // **核心！启动任务调度器，永不返回（除非出错）**
}

五. 编译与下载

  1. 点击STM32CubeIDE工具栏上的Build (锤子图标) 编译项目。
  2. 连接开发板。
  3. 点击Debug (虫子图标) 或 Run (播放图标) 将程序下载到目标板并启动调试/运行。

六. 调试与监控

  • 调试器 (ST-Link, J-Link): 单步执行、设置断点、查看变量、寄存器、内存、调用栈。FreeRTOS感知调试器能显示任务列表、队列、信号量状态。
  • 串口输出: 通过vTaskPrint任务输出状态信息。
  • LED指示: 观察vTaskLED任务的行为。
  • FreeRTOS API 监控:
    • uxTaskGetStackHighWaterMark(TaskHandle_t xTask): 获取任务栈的历史最小剩余空间（高水位线），强烈推荐用于检测栈是否设置过小。值接近0表示危险。
    • xPortGetFreeHeapSize(): 获取当前剩余堆大小，监控内存使用和碎片。
    • vTaskList(char *pcWriteBuffer): (需要启用configUSE_TRACE_FACILITY和configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS) 将任务状态信息格式化为字符串输出（任务名、状态、优先级、栈高水位线）。非常有用！

七. 关键注意事项与常见问题

  1. 栈大小 (Stack Size):

    • 这是最常见的问题！任务栈溢出会导致难以预测的崩溃（覆盖其他内存）。
    • 初始值MINIMAL_STACK_SIZE通常不够用于实际任务。
    • 使用uxTaskGetStackHighWaterMark()在任务运行时监控栈使用。目标是在任务生命周期内保持高水位线有合理的余量（例如>100字节）。
    • 复杂的函数调用、大的局部变量数组、递归都会消耗大量栈空间。
    • 如果使用printf等库函数，它们内部使用的栈可能很大。

  2. 堆大小 (TOTAL_HEAP_SIZE):

    • STM32F103 RAM有限 (20KB for C8, 64KB for RC)。
    • 分配的堆需要容纳：所有任务栈 + 任务控制块 (TCB) + 动态创建的对象 (队列、信号量、软件定时器、任务通知、动态分配内存)。
    • 监控xPortGetFreeHeapSize()。如果堆耗尽，创建对象会失败。
    • 在资源紧张的F103上，尽量静态分配 (在CubeMX中图形化创建或使用xTaskCreateStatic())。

  3. 中断优先级 (configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY):

    • 理解： FreeRTOS需要管理一些中断以进行任务切换（主要是PendSV）和提供API（如xQueueSendFromISR）。
    • configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY定义了一个中断优先级阈值。
      • 高于 此阈值的中断：不能被FreeRTOS延迟，绝对禁止 调用任何可能导致上下文切换的FreeRTOS API (如xQueueSend, xSemaphoreGive, vTaskDelay等)。只能调用带FromISR后缀的API (如xQueueSendFromISR, xSemaphoreGiveFromISR)。
      • 低于或等于 此阈值的中断：可以被FreeRTOS延迟，可以调用FreeRTOS API（包括带FromISR和不带FromISR的，但在ISR中应始终使用FromISR版本）。
    • STM32F103设置： 通常设configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY = 5 (数值优先级)，configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY = 15 (最低)。确保你的关键硬件中断（如电机控制、高速ADC）优先级高于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY (数值上更小，如0-4)，并且这些中断的处理函数只使用FromISR API或不调用任何FreeRTOS API。

  4. SysTick配置:

    • 必须保证在CubeMX的Clock Configuration中计算的SysTick重装载值 (Reload Value) 产生的实际中断频率精确等于 FreeRTOSConfig.h中的configTICK_RATE_HZ。不匹配会导致时间相关函数 (vTaskDelay, xQueueReceive with timeout) 时间基准错误。

  5. 启动调度器 (vTaskStartScheduler()):

    • 这个函数调用后，FreeRTOS接管控制权，开始调度任务。它通常不会返回。
    • 如果它返回了，通常意味着：
      • 没有创建任何任务 (configMINIMAL_STACK_SIZE太小导致Idle任务创建失败？)。
      • 堆空间不足，无法创建Idle任务或Timer服务任务。
      • 移植层配置错误。

  6. 阻塞 (Blocking):

    • 任务函数中必须 包含能让出CPU的阻塞调用，如vTaskDelay(), xQueueReceive(), xSemaphoreTake()等。否则高优先级任务会独占CPU，导致低优先级任务永远无法运行。
    • Idle任务 (优先级0) 是系统自动创建的最低优先级任务，当所有其他任务阻塞时运行。

  7. HAL库与FreeRTOS:

    • HAL库本身不是 线程安全的。如果多个任务访问同一个外设 (如UART)，必须 使用FreeRTOS同步原语 (互斥锁xSemaphoreCreateMutex(), 队列) 进行保护，防止并发访问导致数据损坏。
    • HAL延时 (HAL_Delay()) 基于SysTick，但SysTick已被FreeRTOS接管。在任务中禁止使用HAL_Delay() ！必须用vTaskDelay()替代。在中断服务程序 (ISR) 中绝对禁止使用任何阻塞延时。

八. 总结关键步骤：

  1. 创建工程 & 配置时钟: 使用CubeIDE创建项目并正确配置系统时钟、外设时钟。
  2. 启用FreeRTOS: 在Middleware中选择FreeRTOS (CMSIS_V2)。
  3. 配置内核参数: 仔细设置TICK_RATE_HZ, TOTAL_HEAP_SIZE, MINIMAL_STACK_SIZE, MAX_PRIORITIES, 内存方案。
  4. 配置中断优先级: 设置configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY和configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY (STM32F103常用15和5)。
  5. 验证SysTick: 确保SysTick中断频率匹配TICK_RATE_HZ。
  6. 编写任务函数: 实现任务逻辑，包含阻塞调用。
  7. 创建任务: 在main()或MX_FREERTOS_Init()中调用xTaskCreate()。
  8. 启动调度器: 调用vTaskStartScheduler()。
  9. 编译下载调试: 监控栈和堆的使用。
  10. 添加同步机制: 根据需要使用队列、信号量、互斥量保护共享资源。
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