为什么学FreeRTOS？FreeRTOS的移植步骤是怎样的？

1.1 前后台系统：

    早期嵌入式开发没有嵌入式操作系统的概念 ，直接操作裸机，在裸机上写程序，比如用51单片机基本就没有操作系统的概念。通常把程序分为两部分：前台系统和后台系统。

     简单的小系统通常是前后台系统，这样的程序包括一个死循环和若干个中断服务程序：应用程序是一个无限循环，循环中调用API函数完成所需的操作，这个大循环就叫做后台系统。中断服务程序用于处理系统的异步事件，也就是前台系统。前台是中断级，后台是任务级。






1.2 RTOS系统：

       RTOS全称为：Real Time OS，就是实时操作系统，强调的是：实时性。实时操作系统又分为硬实时和软实时。硬实时要求在规定的时间内必须完成操作 ，硬实时系统不允许超时，在软实时里面处理过程超时的后果就没有那么严格。
       在实时操作系统中，我们可以把要实现的功能划分为多个任务，每个任务负责实现其中的一部分，每个任务都是一个很简单的程序，通常是一个死循环。
       RTOS操作系统：FreeRTOS，UCOS，RTX，RT-Thread，DJYOS等。
       RTOS操作系统的核心内容在于：实时内核。

可剥夺型内核：

     RTOS的内核负责管理所有的任务，内核决定了运行哪个任务，何时停止当前任务切换到其他任务，这个是内核的多任务管理能力。多任务管理给人的感觉就好像芯片有多个CPU，多任务管理实现了CPU资源的最大化利用，多任务管理有助于实现程序的模块化开发，能够实现复杂的实时应用。
     RTOS中的经典代表作：FreeRTOS，而FreeOS的内核是可剥夺型的，所以我们简单提一下什么是可剥夺型内核，关于FreeRTOS内核的详细内容我们会在后续的视频中专门讲解的。
     可剥夺内核顾名思义就是可以剥夺其他任务的CPU使用权，它总是运行就绪任务中的优先级最高的那个任务。







2.1 FreeRTOS系统简介：

       FreeRTOS是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，而且没有任务数限制。FreeRTOS提供了实时操作系统所需的所有功能，包括资源管理、同步、任务通信等。
       FreeRTOS是用C和汇编来写的，其中绝大部分都是用C语言编写的，只有极少数的与处理器密切相关的部分代码才是用汇编写的，FreeRTOS结构简洁，可读性很强！最主要的是非常适合初次接触嵌入式实时操作系统学生、嵌入式系统开发人员和爱好者学习。

为什么学FreeRTOS

1、因为FreeROTS开源。
2、FreeRTOS免费
3、FreeRTOS是很多第三方组件钦定的系统！

2.2 FreeRTOS相关资料查找：

1、FreeRTOS官网：http://www.freertos.org/。
2、开源电子网：www.openedv.com。
3、其他论坛。

FreeRTOS 移植

2.2.1 向工程中添加相应文件
1、添加FreeRTOS 源码
在基础工程中新建一个名为FreeRTOS 的文件夹，如图2.2.1.1 所示：







创建FreeRTOS 文件夹以后就可以将FreeRTOS 的源码添加到这个文件夹中，添加完以后如图2.2.1.2 所示：






在1.3.2 小节中详细的讲解过portable 文件夹，我们只需要留下keil、MemMang 和RVDS这三个文件夹，其他的都可以删除掉，完成以后如图2.2.1.3 所示：







2、向工程分组中添加文件
打开基础工程，新建分组FreeRTOS_CORE 和FreeRTOS_PORTABLE，然后向这两个分组中添加文件，如图2.2.1.4 所示：







分组FreeRTOS_CORE 中的文件在什么地方就不说了，打开FreeRTOS 源码一目了然。重点来说说FreeRTOS_PORTABLE 分组中的port.c 和heap_4.c 是怎么来的，port.c 是RVDS 文件夹下的ARM_CM3 中的文件，因为STM32F103 是Cortex-M3 内核的，因此要选择ARM_CM3中的port.c 文件。heap_4.c 是MemMang 文件夹中的，前面说了MemMang 是跟内存管理相关
的，里面有5 个c 文件：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c 和heap_5.c。这5 个c 文件是五种不同的内存管理方法，就像从北京到上海你可以坐火车、坐飞机，如果心情好的话也可以走路，反正有很多种方法，只要能到上海就行。这里也一样的，这5 个文件都可以用来作为FreeRTOS 的内存管理文件，只是它们的实现原理不同，各有利弊。这里我们选择heap_4.c，至于原因，后面会有一章节专门来讲解FreeRTOS 的内存管理，到时候大家就知道原因了。这里就先选择heap_4.c，毕竟本章的重点是FreeRTOS 的移植。

3、添加相应的头文件路径
添加完FreeRTOS 源码中的C 文件以后还要添加FreeRTOS 源码的头文件路径，头文件路径如图2.2.1.5 所示：







头文件路径添加完成以后编译一下，看看有没有什么错误，结果会发现提示打不开“FreeRTOSConfig.h”这个文件，如图2.2.1.6 所示：







这是因为缺少FreeRTOSConfig.h 文件，这个文件在哪里找呢？你可以自己创建，显然这不是一个明智的做法。我们可以找找FreeRTOS 的官方移植工程中会不会有这个文件，打开FreeRTOS 针对STM32F103 的移植工程文件，文件夹是CORTEX_STM32F103_Keil，打开以后如图2.2.1.7 所示：







果然！官方的移植工程中有这个文件，我们可以使用这个文件，但是建议大家使用我们例程中的FreeRTOSConf.h 文件，这个文件是FreeRTOS 的系统配置文件，不同的平台其配置不同，但是我们提供的例程中的这个文件肯定是针对ALIENTEK 开发板配置正确的。这个文件复制到什么地方大家可以自行决定，这里我为了方便放到了FreeRTOS 源码中的include 文件夹下。FreeRTOSConfig.h 是何方神圣？看名字就知道，他是FreeRTOS 的配置文件，一般的操作系统都有裁剪、配置功能，而这些裁剪及配置都是通过一个文件来完成的，基本都是通过宏定义来完成对系统的配置和裁剪的，关于FreeRTOS 的配置文件FreeRTOSConfig.h 后面也会有一章节来详细的讲解。到这里我们再编译一次，没有错误！如图2.2.1.8 所示：







如果还有错误的话大家自行根据错误类型查找和修改错误！


2.2.2 修改SYSTEM 文件
SYSTEM 文件夹里面的文件一开始是针对UCOS 而编写的，所以如果使用FreeRTOS 的话就需要做相应的修改。本来打算让SYSTEM 文件夹也支持FreeRTOS，但是这样的话会导致SYSTEM 里面的文件太过于复杂，这样非常不利于初学者学习，所以这里就专门针对FreeRTOS修改了SYSTEM 里面的文件。
1、修改sys.h 文件
sys.h 文件修改很简单，在sys.h 文件里面用宏SYSTEM_SUPPORT_OS 来定义是否使用OS，我们使用了FreeRTOS，所以应该将宏SYSTEM_SUPPORT_OS 改为1。


//0,不支持os
//1,支持os
#define SYSTEM_SUPPORT_OS 1 //定义系统文件夹是否支持OS
2、修改usart.c 文件
usart.c 文件修改也很简单，usart.c 文件有两部分要修改，一个是添加FreeRTOS.h 头文件，默认是添加的UCOS 中的includes.h 头文件，修改以后如下：
//如果使用os,则包括下面的头文件即可.
#if SYSTEM_SUPPORT_OS
#include "FreeRTOS.h" //os 使用
#endif
另外一个就是USART1 的中断服务函数，在使用UCOS 的时候进出中断的时候需要添加OSIntEnter()和OSIntExit()，使用FreeRTOS 的话就不需要了，所以将这两行代码删除掉，修改以后如下：
void USART1_IRQHandler(void) //串口1 中断服务程序
{
    u8 Res;
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        Res =USART_ReceiveData(USART1); //读取接收到的数据
        if((USART_RX_STA&0x8000)==0) //接收未完成
    {
    if(USART_RX_STA&0x4000) //接收到了0x0d
    {
        if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0; //接收错误,重新开始
        else USART_RX_STA|=0x8000; //接收完成了
    }
    else //还没收到0X0D
    {
        if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;
        else
        {
            USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;
            USART_RX_STA++;
            if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;
        }
    }
    }
}
}
3、修改delay.c 文件
delay.c 文件修改的就比较大了，因为涉及到FreeRTOS 的系统时钟，delay.c 文件里面有4个函数，先来看一下函数SysTick_Handler()，此函数是滴答定时器的中断服务函数，代码如下：
extern void xPortSysTickHandler(void);
//systick 中断服务函数,使用OS 时用到
void SysTick_Handler(void)
{
    if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
    {
        xPortSysTickHandler();
    }
}
FreeRTOS 的心跳就是由滴答定时器产生的，根据FreeRTOS 的系统时钟节拍设置好滴答定时器的周期，这样就会周期触发滴答定时器中断了。在滴答定时器中断服务函数中调用FreeRTOS 的API 函数xPortSysTickHandler()。delay_init()是用来初始化滴答定时器和延时函数，代码如下：
//初始化延迟函数
//SYSTICK 的时钟固定为AHB 时钟，基础例程里面SYSTICK 时钟频率为AHB/8
//这里为了兼容FreeRTOS，所以将SYSTICK 的时钟频率改为AHB 的频率！
//SYSCLK:系统时钟频率
void delay_init()
{
    u32 reload;
    SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK);//选择外部时钟 HCLK
    fac_us=SystemCoreClock/1000000; //不论是否使用OS,fac_us 都需要使用
    reload=SystemCoreClock/1000000; //每秒钟的计数次数 单位为M
    reload*=1000000/configTICK_RATE_HZ; //根据configTICK_RATE_HZ 设定溢出
    //时间reload 为24 位寄存器,最大值:
    //16777216,在72M 下,约合0.233s 左右
    fac_ms=1000/configTICK_RATE_HZ; //代表OS 可以延时的最少单位
    SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_TICKINT_Msk; //开启SYSTICK 中断
    SysTick->LOAD=reload; //每1/configTICK_RATE_HZ 秒中断
    //一次
    SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //开启SYSTICK
}
前面我们说了FreeRTOS 的系统时钟是由滴答定时器提供的，那么肯定要根据FreeRTOS 的系统时钟节拍来初始化滴答定时器了，delay_init()就是来完成这个功能的。FreeRTOS 的系统时钟节拍由宏configTICK_RATE_HZ 来设置，这个值我们可以自由设置，但是一旦设置好以后我们就要根据这个值来初始化滴答定时器，其实就是设置滴答定时器的中断周期。在基础例程中滴答定时器的时钟频率设置的是AHB 的1/8，这里为了兼容FreeRTOS 将滴答定时器的时钟频率改为了AHB，也就是72MHz！这一点一定要注意！接下来的三个函数都是延时的，代码如下：
//延时nus
//nus:要延时的us 数.
//nus:0~204522252(最大值即2^32/fac_us@fac_us=168)
void delay_us(u32 nus)
{
    u32 ticks;
    u32 told,tnow,tcnt=0;
    u32 reload=SysTick->LOAD; //LOAD 的值
    ticks=nus*fac_us; //需要的节拍数
    told=SysTick->VAL; //刚进入时的计数器值
    while(1)
    {
        tnow=SysTick->VAL;
        if(tnow!=told)
        {
            //这里注意一下SYSTICK 是一个递减的计数器就可以了.
            if(tnow             else tcnt+=reload-tnow+told;
            told=tnow;
            if(tcnt>=ticks)break; //时间超过/等于要延迟的时间,则退出.
        }
    };
}
//延时nms,会引起任务调度
//nms:要延时的ms 数
//nms:0~65535
void delay_ms(u32 nms)
{
    if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
    {
        if(nms>=fac_ms) //延时的时间大于OS 的最少时间周期
        {
            vTaskDelay(nms/fac_ms); //FreeRTOS 延时
        }
        nms%=fac_ms; //OS 已经无法提供这么小的延时了,
        //采用普通方式延时
    }
    delay_us((u32)(nms*1000)); //普通方式延时
}
//延时nms,不会引起任务调度
//nms:要延时的ms 数
void delay_xms(u32 nms)
{
    u32 i;
    for(i=0;i }
delay_us()是us 级延时函数，delay_ms 和delay_xms()都是ms 级的延时函数，delay_us()和delay_xms()不会导致任务切换。delay_ms()其实就是对FreeRTOS 中的延时函数vTaskDelay()的简单封装，所以在使用delay_ms()的时候就会导致任务切换。delay.c 修改完成以后编译一下，会提示如图2.2.2.1 所示错误：






图2.2.2.1 的错误提示表示在port.c、delay.c 和stm32f10x_it.c 中三个重复定义的函数：SysTick_Handler()、SVC_Handler()和PendSV_Handler()，这三个函数分别为滴答定时器中断服务函数、SVC 中断服务函数和PendSV 中断服务函数，将stm32f10x_it.c 中的三个函数屏蔽掉，如图2.2.2.2 所示：







再次编译代码，应该没有错误了，如果还是错误的话自行根据错误类型修改！至此，SYSTEM文件夹就修改完成了。

2.3 移植验证实验
2.3.1 实验程序设计
1、实验目的
编写简单的FreeRTOS 应用代码，测试FreeRTOS 的移植是否成功。鉴于大家还没正式学习FreeRTOS，可以直接将本实验代码复制粘贴到自己的移植工程中。
2、实验设计
本实验设计四个任务：start_task()、led0_task ()、led1_task ()和float_task()，这四个任务的任务功能如下：
start_task()：用来创建其他三个任务。
led0_task ()：控制LED0 的闪烁，提示系统正在运行。
led1_task ()：控制LED1 的闪烁。
float_task()：简单的浮点测试任务，用于测试STM32F4 的FPU 是否工作正常。
3、实验工程
FreeRTOS 实验2-1 FreeRTOS 移植实验。
4、实验程序与分析

任务设置


#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
/************************************************
ALIENTEK 战舰STM32F103 开发板 FreeRTOS 实验2-1
FreeRTOS 移植实验-库函数版本
技术支持：www.openedv.com
淘宝店铺：http://eboard.taobao.com
关注微信公众平台微信号："正点原子"，免费获取STM32 资料。
广州市星翼电子科技有限公司
作者：正点原子 @ALIENTEK
************************************************/
#define START_TASK_PRIO 1 //任务优先级
#define START_STK_SIZE 128 //任务堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler; //任务句柄
void start_task(void *pvParameters); //任务函数
#define LED0_TASK_PRIO 2 //任务优先级
#define LED0_STK_SIZE 50 //任务堆栈大小
TaskHandle_t LED0Task_Handler; //任务句柄
void led0_task(void *p_arg); //任务函数
#define LED1_TASK_PRIO 3 //任务优先级
#define LED1_STK_SIZE 50 //任务堆栈大小
TaskHandle_t LED1Task_Handler; //任务句柄
void led1_task(void *p_arg); //任务函数
● main()函数
int main(void)
{
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4
    delay_init(); //延时函数初始化
    uart_init(115200); //初始化串口
    LED_Init(); //初始化LED
    //创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task, //任务函数
    (const char* )"start_task", //任务名称
    (uint16_t )START_STK_SIZE, //任务堆栈大小
    (void* )NULL, //传递给任务函数的参数
    (UBaseType_t )START_TASK_PRIO, //任务优先级
    (TaskHandle_t* )&StartTask_Handler); //任务句柄
    vTaskStartScheduler(); //开启任务调度
}
● 任务函数
//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
    //创建LED0 任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )led0_task,
    (const char* )"led0_task",
    (uint16_t )LED0_STK_SIZE,
    (void* )NULL,
    (UBaseType_t )LED0_TASK_PRIO,
    (TaskHandle_t* )&LED0Task_Handler);
    //创建LED1 任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )led1_task,
    (const char* )"led1_task",
    (uint16_t )LED1_STK_SIZE,
    (void* )NULL,
    (UBaseType_t )LED1_TASK_PRIO,
    (TaskHandle_t* )&LED1Task_Handler);
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
    taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}
//LED0 任务函数
void led0_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        LED0=~LED0;
        vTaskDelay(500);
    }
}
//LED1 任务函数
void led1_task(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        LED1=0;
        vTaskDelay(200);
        LED1=1;
        vTaskDelay(800);
    }
}
测试代码中创建了3 个任务：LED0 测试任务、LED1 测试任务和浮点测试任务，它们的任务函数分别为：led0_task()、led1_task()。led0_task()和led1_task()任务很简单，就是让LED0 和LED1 周期性闪烁。由于我们只是用测试代码来测试FreeRTOS 是否移植成功的，所以关于具体的函数的调用方法这些不要深究，后面会有详细的讲解！
2.3.2 实验程序运行结果分析
编译并下载代码到STM32F103 开发板中，下载进去以后会看到LED0 和LED1 开始闪烁，
LED0 均匀闪烁，那是因为我们在LED0 的任务代码中设置好的LED0 亮500ms，灭500ms。
LED1 亮的时间短，灭的时间长，这是因为在LED1 的任务代码中设置好的亮200ms，灭800ms。