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STM32（F103ZET6）第十九课：FreeRtos的移植和使用

news 2025/7/12 22:42:46

需求

1.将FreeRtos（嵌入式实时操作系统）移植到STM32中。
2.在该系统中实现任务的创建、挂起、恢复和删除。
3.将板子上写的传感器模块的数据获取，移植到FreeRtos（嵌入式实时操作系统）环境下。
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一、FreeRtos简介

裸机执行流程：前后台系统
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操作系统执行流程：

加入操作系统的作用：用户想要实现多个任务并行的效果，但是单片机只有一个核心，同时只能处理一件事，通过加入操作系统，可以实现任务快速的切换，给人一种多个任务同时在执行的错觉。
FreeRtos的概念：
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二、移植FreeRtos

移植之前，找一个工程mian.c清空，然后移植FreeRTOS。因为加上操作系统之后，编程方式就变了，之前的while(1)就不在使用了。

1.复制代码

从官网下载的FreeRTOS 包含 Demo 例程和内核源码（比较重要，我们就需要提取该目录下的大部分文件）。 FreeRTOS 文件夹下的 Source 文件夹里面包含的是 FreeRTOS 内核的源代码，
我们移植 FreeRTOS 的时候就需要这部分源代码； FreeRTOS 文件夹下的 Demo 文件夹里
面包含了 FreeRTOS 官方为各个单片机移植好的工程代码， FreeRTOS 为了推广自己，会
给各种半导体厂商的评估板写好完整的工程程序，这些程序就放在 Demo 这个目录下，这
部分 Demo 非常有参考价值。我们把 FreeRTOS 到 STM32 的时候，FreeRTOSConfig.h 这
个头文件就是从这里拷贝过来的。
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将源码直接复制到想要移植的工程文件下，改名为FreeRtos：

这里我们再重点分析下 FreeRTOS/ Source 文件夹下的文件，具体见图 13-6。“include”
文件夹和“portable”文件夹包含的是 FreeRTOS 的通用的头文件和 C 文件，这两部分的文
件试用于各种编译器和 include 处理器，是通用的。需要移植的头文件和 C 文件放在编号
portblle 这个文件夹。
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我们打开 portable 这个文件夹，可以看到里面很多与编译器相关的文件夹，在不同的
编译器中使用不同的支持文件。文件夹“Keil”就是我们就是我们使用的编译器，当打开 “Keil”
文件夹的时候，你会看到一句话“See-also-the-RVDS-directory.txt”，其实 “Keil” 里面的内容
跟 RVDS 里面的内容一样，所以我们只需要 RVDS 文件夹里面的内容即可。而 MemMang
文件夹下存放的是跟内存管理相关的，我们的重点是RVDS文件夹
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打开 RVDS 文件夹，下面包含了各种处理器相关的文件夹，从文件夹的名字我们就非
常熟悉了，有 M0、 M3、 M4 等各种系列， FreeRTOS 是一个软件，单片机是一个硬件，
FreeRTOS 要想运行在一个单片机上面，它们就必须关联在一起，那么怎么关联？还是得通
过写代码来关联，这部分关联的文件叫接口文件，通常由汇编和 C 联合编写。这些接口文
件都是跟硬件密切相关的，不同的硬件接口文件是不一样的，但都大同小异。编写这些接口
文件的过程我们就叫移植，移植的过程通常由 FreeRTOS 和 MCU 原厂的人来负责，移植
好的这些接口文件就放在 RVDS 这个文件夹的目录下。
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2.内存空间分配和内核相关接口

MemMang 文件夹下存放的是跟内存管理相关的，总共有五个 heap 文件以及一
个 readme 说明文件，这五个 heap 文件在移植的时候必须使用一个，因为 FreeRTOS 在
创建内核对象的时候使用的是动态分配内存，而这些动态内存分配的函数则在这几个文件里
面实现，不同的分配算法会导致不同的效率与结果，后面在内存管理中我们会讲解每个文件
的区别，由于现在是初学，所以我们选用 heap4.c 即可。
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FreeRTOS 为我们提供了 cortex-m0、m3、m4 和 m7 等内核的单片机的接口文件，
只要是使用了这些内核的 MCU 都可以使用里面的接口文件。我们这里以 ARM_CM3 这个
文件夹为例，看看里面的文件，里面只有“port.c”与“portmacro.h”两个文件， port.c 文件里
面的内容是由 FreeRTOS 官方的技术人员为 Cortex-M3 内核的处理器写的接口文件，里面
核心的上下文切换代码是由汇编语言编写而成；portmacro.h 则是 port.c 文件对应的头文
件，主要是一些数据类型和宏定义。
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首先在我们的 STM32 裸机工程模板根目录下新建一个文件夹，命名为“FreeRTOS”，
并且在 FreeRTOS 文件夹下新建两个空文件夹，分别命名为“src”与“port”，src 文件夹用于
保存 FreeRTOS 中的核心源文件，也就是我们常说的‘.c 文件’， port 文件夹用于保存内存
管理以及处理器架构相关代码，这些代码 FreeRTOS 官方已经提供给我们的，直接使用即可，
在前面已经说了， FreeRTOS 是软件，我们的开发版是硬件，软硬件必须有桥梁来连接，这
些与处理器架构相关的代码，可以称之为 RTOS 硬件接口层，它们位于
FreeRTOS/Source/Portable 文件夹下。
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打开 FreeRTOS 源码，在“FreeRTOSvX.X.X\FreeRTOS\Source”目录下找到所有的‘.c 文
件’，将它们拷贝到我们新建的 src 文件夹中。

打开 FreeRTOS VX.X.X 源码，在“FreeRTOS VX.X.X \FreeRTOS\Source\portable”目录
下找到“ MemMang”文件夹与“ RVDS”文件夹，将它们拷贝到我们新建的 port 文件夹中。
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打开 FreeRTOS VX.X.X 源码，在“FreeRTOS VX.X.X \FreeRTOS\Source” 目录下找到
“include”文件夹，它是我们需要用到 FreeRTOS 的一些头文件，将它直接拷贝到我们新建的
FreeRTOS 文件夹中，完成这一步之后就可以看到我们新建的 FreeRTOS 文件夹已经有 3
个文件夹，这 3 个文件夹就包含 FreeRTOS 的核心文件，至此，FreeRTOS 的源码就提取
完成
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3.FreeRtosConfig

拷贝 FreeRTOSConfig.h 文件到 user 文件夹
FreeRTOSConfig.h 文件是 FreeRTOS 的工程配置文件，因为 FreeRTOS 是可以裁剪的
实时操作内核，应用于不同的处理器平台，用户可以通过修改这个 FreeRTOS 内核的配置头
文件来裁剪 FreeRTOS 的功能，所以我们把它拷贝一份放在 user 这个文件夹下面
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其中，FreeRTOSConfig.h 是直接从 demo 文件夹下面拷贝过来的，该头文件对裁剪整个FreeRTOS 所需的功能的宏均做了定义，有些宏定义被使能，有些宏定义被失能，一开始我们只需要配置最简单的功能即可。要想随心所欲的配置 FreeRTOS 的功能，必须对这些宏定义的功能有所掌握。
比较重要的宏文件：
#define configUSE_TIME_SLICING 1 //使能时间片调度(默认式使能的)
#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 1 //硬件计算前导零指令，如果所使用的， MCU 没有这些硬件指令的话此宏应该设置为 0
#define configUSE_TICKLESS_IDLE 0 //置 1：使能低功耗 tickless 模式；置 0：保持系统节拍（tick）中断一直运行
#define configUSE_QUEUE_SETS 1 //启用队列
#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 1 //开启任务通知功能，默认开启
#define configUSE_MUTEXES 1 //使用互斥信号量
#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 1 //使用递归互斥信号量
#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1 //为 1 时使用计数信号量
#define configQUEUE_REGISTRY_SIZE 10 //设置可以注册的信号量和消息队列个数
#define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG 0
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1 //支持动态内存申请
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 0 //使用内存申请失败钩子函数
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 1// 大于 0 时启用堆栈溢出检测功能，如果使用此功能用户必须提供一个栈溢出钩子函数如果使用的话此值可以为 1 或者 2，因为有两种栈溢出检测方法
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 0 //启用运行时间统计功能
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
#define configUSE_TIMERS 1 //启用软件定时器
#define configTIMER_TASK_PRIORITY (configMAX_PRIORITIES-1) //软件定时器优先级
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH 10 //软件定时器队列长度
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH (configMINIMAL_STACK_SIZE*2) //软件定时器任务堆栈大小
//可选函数配置选项
#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState 1
#define INCLUDE_eTaskGetState 1
#define INCLUDE_xTimerPendFunctionCall 1
//中断服务函数也可以修改起始文件
#define vPortSVCHandler SVC_Handler
#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

4.添加到工程中

添加 FreeRTOS 源码到工程组文件夹
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配置 FreeRTOS 头文件路径

三、任务块操作

1.任务四种状态

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四种形态：
运行态
当任务实际执行时，它被称为处于运行状态。任务当前正在使用处理器。如果运行 RTOS 的处理器只有一个内核，那么在任何给定时间内都只能有一个任务处于运行状态。
就绪态
准备就绪任务指那些能够执行（它们不处于阻塞或挂起状态），但目前没有执行的任务，因为同等或更高优先级的不同任务已经处于运行状态。
阻塞态
如果任务当前正在等待时间或外部事件，则该任务被认为处于阻塞状态。例如，如果一个任务调用vTaskDelay()，它将被阻塞（被置于阻塞状态），直到延迟结束-一个时间事件。任务也可以通过阻塞来等待队列、信号量、事件组、通知或信号量事件。处于阻塞状态的任务通常有一个"超时"期，超时后任务将被超时，并被解除阻塞，即使该任务所等待的事件没有发生。
“阻塞”状态下的任务不使用任何处理时间，不能被选择进入运行状态。
挂起态
与“阻塞”状态下的任务一样， “挂起”状态下的任务不能被选择进入运行状态，但处于挂起状态的任务没有超时。相反，任务只有在分别通过 vTaskSuspend() 和 xTaskResume() API 调用明确命令时才会进入或退出挂起状态。
调度机制
和裸机操作不同，操作系统中执行的是一个一个任务块，通过任务调度器（使用相关的调度算法）来决定当前时刻要执行哪个任务。
调度方式主要有两种：
1.抢占式调度：任务优先级不同时使用。每个任务都有自己的优先级，高优先级的任务会抢占低优先级的任务。
2.时间片调度：任务优先级相同时使用。当多个任务优先级相同时，任务调度器会在每一次系统节拍到的时候切换任务。
其实说白了就是：STM32执行的是线性代码，只有中断能打断。而FreeRtos执行的是不同等级的任务块，等级越高任务块就越先执行，相同等级的任务块执行时系统会来回切换。
优先级不能设置为0，因为FreeRtos的空闲任务优先级为0，一般情况下我们不去抢。

2.创建任务过程

1、首先要添加FreeRTOS相关头文件。这是必须的！
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2、创建一个句柄，TaskHandle_t 类型

3、创建任务

Ret = xTaskCreate(LED_Task, //创建任务的任务函数名"LED1_Toggle",//任务名字50,//任务栈深度。32位单片机*4NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL1,//任务优先级&LED_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务if(Ret == pdPASS){printf("LED_Task创建完成\r\n");}Ret = xTaskCreate(KEY_Task, //创建任务的任务函数名"KEY_Task",//任务名字100,//任务栈深度。32位单片机*4NULL,//创建任务时传递参数,没有就给NULL2,//任务优先级&KEY_TaskHandle);//任务的句柄，用于后边删除，挂起任务if(Ret == pdPASS){printf("KEY_Task创建完成\r\n");}printf("开启FreeRTOS调度器\r\n");//调度器启动完成之后，FreeRTOS会获取CPU控制权，会按照任务优先级执行创建的任务vTaskStartScheduler();printf("开启FreeRTOS调度器成功\r\n");