从零移植freeRTOS实时操作系统到STM32

嵌入式程序的开发本质上是对各种异步事件的处理，不论是功能复杂的计算机还是功能简单的MCU，系统设计的最终目的就是及时的响应各种外部事件，并对这些事件进行处理，比如按键事件、触摸屏事件、串口收到数据、网口收到数据等，这些事件的触发是随机的，系统并不知道什么时候有事件到来，因此对于嵌入式程序设计的最终要点就是对这些异步事件的响应和处理。其中 CPU频率越高，处理能力就越强，能处理的数据就越多，系统响应外部触发的速度就越快。我们在开发项目时，要根据要处理的事务量去选择合适的处理器，以保证能够及时响应各种事件。

对于RAM 内存空间很小的MCU，一般几十K的空间，是无法移植操作系统的，只能跑裸机，针对这种情况，最好的方式就是采用前后台的方式进行设计，前台设计：各种中断响应函数，外部事件触发中断后置位相应的事件标志位（一般设置一个全局变量），如果有数据传输，则拷贝数据到缓存中，后台设置：在main函数中一个while（1)大循环，循环里面使用switch case 语句根据中断中置位的事件标志位去进行相应事件的处理。为了保证系统及时响应外部信号，中断处理函数中的代码尽量简洁，如果事件过多，MCU的频率太低处理不过来怎么办，可以设置存储外部事件的消息队列（最简洁的方式就创建一个数组），当中断中收到外部事件时，将事件状态放到消息队列中，在while（1）循环中，不断的从消息队列中读取事件状态，并进行处理。但是这种方式是不得已而为之的，裸机系统是有自身固有的弊端的，在while（1）循环中，处理事件时，不可避免的要使用延时函数，这时候，MCU只能死等，无法去处理其他的事件，一般延时短则几个毫秒长则几秒，这是对MCU处理器计算资源的极大浪费，那么有没有办法，让MCU在延时函数中等待的同时去处理其他的响应事件那，即实现处理器并行处理事件，那就是使用实时操作系统，进行多任务设计，这样在调用操作系统延时函数时，当前任务进入睡眠状态，让出处理器供其他的任务去使用。采用实时操作系统的好处是可以把复杂的逻辑功能拆解成一个一个的任务去单独进行处理，每个任务相当于一个模块，分别完成一种或多种特定的功能，这种方式可以使代码的设计更加简洁，同时提高MCU的利用率。

对于RAM内存空间充足的MCU，一般几M内存空间，我们就要考虑移植操作系统，使用操作系统的好处很多，我们不一一说明，目前市面上的实时操作系统很多，但用法都是一样的，常用的组件就那么几个，无法是创建任务用于完成模块功能设计，创建消息队列用于进行任务间的通信，创建信号量用于进行事件同步，创建互斥信号量用于共享资源的保护，再就是实时操作系统自身提供的内存管理、中断管理等，常见的实时操作系统有UCOS(商用RTOS，使用是要收费的，好处是稳定，资料齐全、配套组件多，毕竟贵有贵的道理)、FreeRTOS(免费，使用最广泛，网上资料很多)、RT-Thread（国产、免费、功能强大、资料齐全，这是我的最爱，这个系统是专门为物联网设计的，里面提供了很多wifi、蓝牙、lora、mqtt、json等组件包，从结构上讲给我的感觉就是一个小型的Linux）。

接下来，我们在上一章博客从零搭建STM32开发环境的基础上移植FreeRTOS操作系统。

首先下载FreeRTOS源码包，https://www.freertos.org/a00104.html 本文下载的版本是10.3.1

我们首先分析一下移植时要用到的源码包里的文件

首先时配置文件FreeRTOSConfig.h，整个操作系统的裁剪和配置都是由这个文件来定义的。

在FreeRTOS/Demo/目录下时各种常用MCU的实现，我们根据自己的芯片选型到相应的目录中去寻找对应的配置文件，本文中使用的芯片是STM32F407ZGT6 ，因此就使用CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK目录的配置文件。

其次是源码文件：

FreeRTOS/Source目录下的文件是移植所需要的源码文件，也就是整个实时操作系统的源码实现，其中include文件夹中包含的是整个系统的头文件、portable文件夹中包含的是整个实时操作系统与底层MCU的接口文件（这个是移植时需要修改的部分，稍后详细讲）、croutine是轻量级任务协程的实现代码，event_groups是事件分组的实现代码、list是一个列表的代码实现、queue是一个队列的代码实现、tasks是任务的代码实现、timers是软件定时器的代码实现、stream_buffer这个组件是新加的，没用过。

上述文件中初portable中的文件外，其余的文件不需要修改。

最后是接口文件，这部分文件在移植时是需要根据自己的芯片类型进行修改的。

我们看一下portable 文件夹，这里面的接口文件是需要根据自己使用的编译环境进行选择的，如果使用IAR开发就使用IAR文件夹下的接口文件，本文中使用keil进行开发，因此使用keil文件夹下的接口文件，我们打开keil文件夹发现里面只有一个txt文件，在txt文件中表明，keil中使用的接口文件到RVDS文件夹下去寻找，因为本文使用的MCU是stm32f407zgt6因此使用/RVDS/ARM_CM4F文件夹下的文件。

 

接下来看/portable/MemMang文件夹下的文件，该文件是堆内存分配方式的五种不同实现，本文种使用第4种实现方式。

heap_1只实现了堆内存的申请，并未实现堆内存的释放，适用与内存及实时操作系统组件例如队列、信号量等只申请不释放的情况，显而易见，这种只申请不释放的使用方式是不会产生内存碎片的，但是内存的利用率会降低。

heap_2 既实现了内存的申请也实现了内存的释放，但是频繁的申请释放必然会产生内存碎片，但是当每次申请释放的内存块长度是固定值时，就可以避免内存被分割的可能行，就可以避免内存碎片。

heap_3 仅实现了对C标准库中malloc 及free函数的封装，但是保证了线程安全行，注意malloc 和free函数不是原子操作，是非线程安全的，分配内存时要使用实时操作系统自身提供的内存分配函数。

heap_4 使用了一个内存最有算法去分配内存，相比heap_2来讲，内存碎片化会轻的多。

heap_5 允许跨域不同的内存段，及可以同时使用片内和片外内存作为内存分配空间。

好，接下来我门讲移植。

在源码目录下：

拷贝FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Demo\CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK文件夹下的FreeRTOSConfig.h文件到FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source\include目录下。

拷贝FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source\portable\MemMang文件夹下的heap_4.c文件到FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source目录下。

拷贝FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM4F目录下的port.c文件到FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source目录下。

拷贝FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM4F目录下的portmacro.h文件到FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source\include目录下。

删除\FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source目录下的portable文件夹。

将\FreeRTOSv10.3.1\FreeRTOS\Source文件夹下的所有文件拷贝到工程目录的template\third\freertos目录下：

接下来我们添加freertos源码文件和头文件路径到keil中。

至此源码移植完成，现在我们使用keil打开工程，对源码稍作修改。

1. 修改宏定义，添加对其他编译器的支持。

2. 注释掉冲突的中断函数。

3. 屏蔽掉钩子函数。

修改完成后，编译一下，无错误，无警告，移植完成。

推荐一个学习FreeRTOS的链接：https://www.cnblogs.com/yangguang-it/p/7233591.html