STM32手动移植FreeRTOS

📦 准备工作

  1. 获取FreeRTOS源码:

    • 访问 FreeRTOS官网 或其 GitHub仓库 下载最新版内核源码。

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

  2. 准备STM32基础工程:

    • 使用 STM32CubeMX 生成一个针对你芯片型号的裸机工程（例如一个简单的LED闪烁工程），配置好时钟树、调试接口（如SYS）和你需要的外设（如GPIO、USART等）。

    • 确保这个基础工程在你的开发板上能够编译并通过（例如，LED能闪烁）。

📁 文件组织与添加

在你的STM32工程目录下（通常与Core、Drivers等文件夹同级），创建一个用于存放FreeRTOS源码的文件夹，例如Middlewares/FreeRTOS。然后按照下表的指引将必要的文件复制到相应位置：

所需文件源路径 (基于FreeRTOS源码根目录)目标路径 (你的工程目录)作用描述
核心源文件(.c)FreeRTOS/Source/*.c (如 tasks.c, queue.c, list.c等)Middlewares/FreeRTOS/SourceFreeRTOS内核的核心功能实现
核心头文件(.h)FreeRTOS/Source/include/*.hMiddlewares/FreeRTOS/Source/includeFreeRTOS内核的头文件，提供API和数据类型定义
移植层文件FreeRTOS/Source/portable/[Compiler]/[Architecture]/*Middlewares/FreeRTOS/Source/portable与编译器及CPU架构相关的移植代码（关键选择，见下文说明）
内存管理实现FreeRTOS/Source/portable/MemMang/heap_x.c (选一个)Middlewares/FreeRTOS/Source/portable/MemMangFreeRTOS的动态内存管理方案（五选一，通常推荐heap_4.c）
配置文件FreeRTOS/Demo/[Demo项目]/FreeRTOSConfig.h通常放在工程Inc目录或Middlewares/FreeRTOSFreeRTOS内核的配置文件（需根据你的芯片和需求修改）

🔧 关键选择说明：

  • 移植层文件 ([Compiler]和[Architecture]):

    • [Compiler]: 根据你使用的开发环境选择。

      • Keil MDK: 选择 RVDS 目录。

      • IAR: 选择 IAR 目录。

      • GCC (如STM32CubeIDE, CLion): 选择 GCC 目录。

    • [Architecture]: 根据你STM32芯片的Cortex内核型号选择。

      • Cortex-M0: ARM_CM0

      • Cortex-M3: ARM_CM3

      • Cortex-M4 (无FPU): ARM_CM4F

      • Cortex-M7 (有FPU): ARM_CM7

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

  • 内存管理实现 (heap_x.c):
    FreeRTOS提供了5种内存管理方案，通常选择 heap_4.c（支持内存分配与释放，并能有效减少碎片）。对于极其简单或从不释放内存的应用，也可考虑 heap_1.c。

📝 操作步骤：

  1. 在你的工程目录下（例如Middlewares/FreeRTOS）创建相应的子文件夹：Source, Source/include, Source/portable。

  2. 根据上表和你的芯片、编译器情况，将FreeRTOS源码包中对应的文件复制到刚刚创建的相应文件夹中。

  3. 从FreeRTOS源码包的Demo文件夹里，找一个与你芯片型号相近的Demo工程，将其中的FreeRTOSConfig.h文件复制到你的工程目录下（通常放在Inc目录下便于包含）。

⚙️ 工程配置与修改

1. 添加文件到IDE工程

  • 打开你的Keil MDK（或其他IDE）工程。

  • 在IDE中创建新的分组（Group），例如 "FreeRTOS_CORE", "FreeRTOS_PORTABLE"。

  • 将刚才复制到Middlewares/FreeRTOS/Source下的.c文件（如tasks.c, queue.c等）添加到 "FreeRTOS_CORE" 分组。

  • 将你选择的内存管理文件（如heap_4.c）和移植层文件（如port.c）添加到 "FreeRTOS_PORTABLE" 分组。

  • 不要添加其他未选择的内存管理文件和移植层文件。

2. 添加头文件路径

在IDE的工程设置（"Options for Target" -> "C/C++" -> "Include Paths"）中，添加以下头文件路径35：

  • ../Middlewares/FreeRTOS/Source/include

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

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

3. 修改FreeRTOSConfig.h

FreeRTOSConfig.h是FreeRTOS的核心配置文件，你需要根据你的芯片和项目需求进行修改。以下是一些最关键的配置项34：

配置宏说明与典型设置
configCPU_CLOCK_HZ设置为你STM32芯片的主时钟频率（Hz），例如STM32F103为72000000，STM32F407为168000000。可直接使用 SystemCoreClock。
configTICK_RATE_HZ系统节拍频率。通常设置为1000Hz，表示1ms一个时钟节拍。
configTOTAL_HEAP_SIZEFreeRTOS动态内存堆的总大小。根据你计划创建的任务、队列等数量估算。如果不够，任务创建会失败。例如可先设置为(10 * 1024)（10KB），后续再调整。
configMAX_PRIORITIES系统支持的最大任务优先级数。设置一个够用的值即可，如5-8，不是越大越好。
configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY``configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY中断优先级配置，非常重要！需要根据你芯片的NVIC优先级位数（如STM32F1/F4是4位，即0-15）和你的应用来设置。设置错误可能导致系统不稳定或无法运行。务必仔细查阅FreeRTOS手册和芯片数据手册。
configUSE_PREEMPTION设置为1启用抢占式调度器，这是最常用的模式。
configUSE_TIMERS``configTIMER_TASK_PRIORITY``configTIMER_QUEUE_LENGTH``configTIMER_TASK_STACK_DEPTH如果你要使用软件定时器，需要将这些配置使能并设置相关参数。

其他常用配置：你还可以根据需求使能或禁用互斥量(configUSE_MUTEXES)、递归互斥量(configUSE_RECURSIVE_MUTEXES)、事件组(configUSE_EVENT_GROUPS)、栈溢出检查(configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW)等功能。

4. 处理中断服务程序（ISR）

FreeRTOS需要接管SVC、PendSV和SysTick这三个中断246。

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

  • 找到并注释掉或删除以下三个函数的具体实现：

    • SVC_Handler(void)

    • PendSV_Handler(void)

    • SysTick_Handler(void)

  • 原因：这些中断的服务程序已经在你之前添加的移植层文件（如port.c）中实现了。如果不注释掉，会导致函数重复定义。

注意SysTick的特殊情况：如果你的HAL库仍然使用SysTick作为时基源（HAL_InitTick()），你可能需要修改SysTick_Handler而不是简单地删除它。一种常见的做法是28：

c

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"void SysTick_Handler(void)
{HAL_IncTick(); // 维持HAL库的时基if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED) {xPortSysTickHandler(); // 调用FreeRTOS的SysTick Handler}
}

确保在FreeRTOSConfig.h中启用了INCLUDE_xTaskGetSchedulerState宏。

5. 修改HAL库的时基源（强烈推荐）

STM32的HAL库默认使用SysTick作为其时基源（用于HAL_Delay(), HAL_GetTick()等）。而FreeRTOS也使用SysTick作为其任务调度的时钟节拍。虽然通过一些技巧可以让两者共享SysTick，但更推荐的做法是将HAL库的时基源切换到另一个硬件定时器（如TIM1, TIM6等），以避免潜在冲突9。

  • 你可以在STM32CubeMX中重新配置：在SYS选项下，将Timebase Source从SysTick改为其他的硬件定时器（如TIM1）。

  • 或者直接修改代码：在main.c的HAL_Init()调用之后，重新初始化一个定时器作为HAL库的时基源。

🧪 编写测试代码

完成以上步骤后，就可以编写简单的FreeRTOS任务来测试移植是否成功了。

  1. 包含头文件：在main.c中包含FreeRTOS头文件。

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

  2. 创建任务函数：定义至少一个简单的任务函数。

    void vTaskLED(void *pvParameters) {for (;;) {HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13); // 假设LED连接在PC13vTaskDelay(500); // 延迟500个时钟节拍，即500ms (假设configTICK_RATE_HZ=1000)}
}

  3. 创建任务并启动调度器：在main()函数的初始化代码之后（while (1)之前）创建任务并启动FreeRTOS调度器。

    int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();// ... 其他外设初始化代码// 创建任务xTaskCreate(vTaskLED, "LED_Task", 128, NULL, 2, NULL);// 启动FreeRTOS调度器，永远不会返回vTaskStartScheduler();for (;;) {} // 调度器启动后，不会执行到这里
}

🔬 编译、下载与调试

  1. 编译工程：解决所有编译错误。常见的错误包括头文件路径不正确、函数未定义（可能是移植层文件没添加或路径错误）、重复定义（中断服务函数没注释掉）等。

  2. 下载到开发板并运行。

  3. 观察现象：如果一切正常，LED应该会以你设置的周期闪烁。

  4. 使用调试器：如果程序运行不正常，使用调试器进行单步调试，检查系统是否能成功创建任务、是否成功启动调度器、是否进入正确的硬件中断等。

⚠️ 常见问题排查

  • 编译错误 undefined reference to ...: 检查FreeRTOS的.c文件是否都已添加到工程组中，头文件路径是否设置正确。

  • 编译错误 redefinition of ...: 检查stm32fxxx_it.c中的SVC、PendSV、SysTick中断处理函数是否已注释掉。

  • 程序在启动调度器后卡死或进入HardFault:

    • 检查FreeRTOSConfig.h中的configCPU_CLOCK_HZ是否设置正确。

    • 检查FreeRTOSConfig.h中的中断优先级配置（configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY和configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）是否正确。这是非常常见的错误来源。

    • 检查堆大小configTOTAL_HEAP_SIZE是否足够创建初始任务。

    • 使用调试器检查是否成功进入SVC_Handler（用于启动第一个任务）。

  • SysTick中断冲突: 确保HAL库的时基源已切换至非SysTick的定时器，或者按照前述方法修改了SysTick_Handler函数。

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