FreeRTOS 移植到 STM32F407VETX 记录

基础工程：STM32CubeIDE 生成的 STM32F407VETX HAL 库工程

FreeRTOS 版本：V11.1.0（CM4F 移植层）

编译器：arm-none-eabi-gcc，-mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard

一、编译报错：SysTick_Handler 重复定义

错误信息

复制代码

multiple definition of `SysTick_Handler'
  stm32f4xx_it.o: first defined here
  port.o: defined here

根因

FreeRTOSConfig.h 第 127 行：

c 复制代码

#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

该宏将 FreeRTOS port.c 中的 xPortSysTickHandler() 重命名为 SysTick_Handler。

而 STM32 HAL 模板在 stm32f4xx_it.c 中也定义了 void SysTick_Handler(void)。

两个 .o 文件链接时产生重复定义。

修复

方案：注释掉 FreeRTOSConfig.h 中的宏，在 stm32f4xx_it.c 的 SysTick_Handler 中手动调用 FreeRTOS 和 HAL 两个 handler。

文件：<Core/Src/stm32f4xx_it.c>

c 复制代码

// 修改前
void SysTick_Handler(void)
{
  HAL_IncTick();
}

// 修改后
void SysTick_Handler(void)
{
  HAL_IncTick();
  if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED) {
    xPortSysTickHandler();   // 调度器启动后才调用 FreeRTOS tick
  }
}

文件：<FreeRTOS/FreeRTOSConfig.h>

c 复制代码

// 修改前
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

// 修改后
//#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

为什么保留 HAL_IncTick() ：HAL 库的 HAL_Delay()、HAL_GetTick() 都依赖 uwTick 计数器，

该计数器由 HAL_IncTick() 递增。如果不调用，HAL 定时功能失效。
为什么加调度器状态判断 ：HAL_Init() 在 vTaskStartScheduler() 之前就启动了 SysTick，

在调度器就绪前不应调用 FreeRTOS 的 tick 处理函数。
为什么 configUSE_TICK_HOOK = 0 ：FreeRTOS 的 tick hook（vApplicationTickHook）在

xTaskIncrementTick() 内部被调用。如果 hook 也调用 HAL_IncTick()，而 SysTick_Handler

已经调过一次了，会导致 HAL tick 双倍计数 。因此禁用 tick hook，将 HAL_IncTick() 放在

SysTick_Handler 中统一管理，保证每个 SysTick 周期只递增一次 uwTick。

二、Phase 0：FPU 修复

背景

STM32F407 内部有硬件 FPU（Cortex-M4F）。FreeRTOS CM4F 移植层使用 lazy stacking 机制：

任务未使用 FPU 时，上下文切换只保存整数寄存器（~64 字节）
任务使用 FPU 后，才额外保存 FPU 寄存器 S0-S31 + FPSCR（额外 ~132 字节）
这需要 startup.s、编译器标志、运行时 CPACR 三处配置一致

问题

配置位置	移植前	是否启用 FPU
编译器标志	`-mfpu=fpv4-sp-d16 -mfloat-abi=hard`	✅ 硬件 FPU
startup.s 第 29 行	`.fpu softvfp`	❌ 软件浮点
main() 中 CPACR	未显式设置	❌（但 SystemInit 已设置）

编译器生成硬件 FPU 指令，汇编器却被告知用软件浮点 → 栈帧大小不匹配 → HardFault。

修复

Step 1：Core/Startup/startup_stm32f407vetx.s:29

asm 复制代码

; 修改前
.fpu softvfp

; 修改后
.fpu fpv4-sp-d16    ; FPv4-SP 架构，16 个双精度寄存器（32 个单精度）

Step 2：Core/Src/main.c:111

c 复制代码

int main(void)
{
  /* 使能 FPU --- 必须在任何可能使用 FPU 的代码之前 */
  SCB->CPACR |= ((3UL << 10U * 2U) | (3UL << 11U * 2U));
  /* CP10=11 (full access), CP11=11 (full access) */

  HAL_Init();
  // ...
}

SystemInit()（在 startup.s 中 Reset_Handler 调用）已经做了同样的 CPACR 配置。

在 main() 中再做一次是双重保险，也是 FreeRTOS 移植的推荐做法。

三、Phase 1：中断向量映射

FreeRTOS 需要接管三个 Cortex-M 系统异常：SVC 、PendSV 、SysTick。

SVC（Supervisor Call）

文件	状态
`stm32f4xx_it.c`	`SVC_Handler` 已注释掉
`FreeRTOSConfig.h`	`#define vPortSVCHandler SVC_Handler`
`port.c`	定义 `vPortSVCHandler()` ------ 用于启动第一个任务

vTaskStartScheduler() → prvPortStartFirstTask() 执行 svc 0 指令 → CPU 进入 SVC 异常 → vPortSVCHandler 恢复第一个任务的上下文。

PendSV（Pendable Service Call）

文件	状态
`stm32f4xx_it.c`	`PendSV_Handler` 已注释掉
`FreeRTOSConfig.h`	`#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler`
`port.c`	定义 `xPortPendSVHandler()` ------ 执行任务上下文切换

PendSV 被配置为最低优先级，确保上下文切换不会打断任何 ISR。

FreeRTOS 通过 portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT 触发 PendSV。

SysTick

由 stm32f4xx_it.c 保留处理（见第一章方案），手动分发到 HAL + FreeRTOS。

四、Phase 3：IWDG 喂狗修复

现象

两个任务延迟	表现
`vTaskDelay(500)`	都正常闪烁 ✅
`vTaskDelay(1800)`	正常闪烁 ✅
`vTaskDelay(2000)`	两个 LED 常亮 ❌

根因

MX_IWDG_Init() 配置了独立看门狗 (<Core/Src/iwdg.c>)：

c 复制代码

hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_16;  // 16 分频
hiwdg.Init.Reload    = 4095;              // 重装载值

超时计算：

复制代码

超时 = Prescaler × (Reload + 1) / LSI频率
     = 16 × 4096 / LSI_kHz
     = 65536 / LSI_kHz

LSI 标称 32kHz，实际范围 17--47kHz。假设约 34kHz → 超时 ≈ 65536 / 34 ≈ 1928ms。

复制代码

vTaskDelay(1800):  ├──── 1800ms ────┤ 唤醒翻灯 ├──── 128ms ────┤ IWDG 复位
                   └ 任务在 IWDG 之前唤醒 ✓ ─┘

vTaskDelay(2000):  ├──────── 2000ms ──────────┤ IWDG 先复位(1928ms)！
                   └ 任务永远等不到唤醒 ✗ ─┘

IWDG 从未被刷新，超时就把系统复位了。vTaskDelay(1800) 时任务刚好在复位前醒来翻转了 LED，

而 vTaskDelay(2000) 时 IWDG 比任务先到。

修复

文件：Core/Src/main.c:250-260

c 复制代码

void vApplicationIdleHook(void)
{
    /* 系统空闲时喂狗。
     *
     * 关键设计原则：
     *   ✅ 在 idle hook 中喂狗 --- 所有任务阻塞时 idle 运行，说明系统健康
     *   ❌ 不要在 ISR 或周期性任务中喂狗 --- 会掩盖任务死循环/死锁 bug
     */
    HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
}

同时添加 #include "iwdg.h" 并确保 extern IWDG_HandleTypeDef hiwdg; 可访问

五、完整修改文件清单

文件	修改内容
<Core/Src/main.c>	FPU 使能、添加 `Task1`/`Task2`、FreeRTOS Hook 函数、IWDG 喂狗、`#include` FreeRTOS 头文件
<Core/Src/stm32f4xx_it.c>	`SysTick_Handler` 改为手动分发 HAL + FreeRTOS；注释 `SVC_Handler`、`PendSV_Handler`
<FreeRTOS/FreeRTOSConfig.h>	注释 `xPortSysTickHandler` 宏；确认 `configUSE_TICK_HOOK = 0`
<Core/Startup/startup_stm32f407vetx.s>	`.fpu softvfp` → `.fpu fpv4-sp-d16`

六、关键配置值

配置项	值	说明
`configCPU_CLOCK_HZ`	160000000	系统时钟 160MHz
`configTICK_RATE_HZ`	1000	1ms 一次 tick
`configMINIMAL_STACK_SIZE`	130 words	idle/timer 任务栈
`configTOTAL_HEAP_SIZE`	75KB	FreeRTOS 堆
`configMAX_PRIORITIES`	5	优先级数量
`configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW`	2	栈溢出检测
任务栈大小	256 words (1KB)	每个任务的栈

八、防止再次踩坑

FPU 配置三要素一致 ：startup.s .fpu = 编译器 -mfpu = 运行时 CPACR
中断向量只属于一方：SVC/PendSV 归 FreeRTOS，SysTick 协商处理
IWDG 在 idle hook 喂狗，不要在 ISR 或周期性任务中喂