在STM32F103上进行FreeRTOS移植和配置（源码移植）

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1. 移植准备

硬件要求

• STM32F103开发板（如Blue Pill）
• ST-Link/V2调试器
• USB转串口模块（用于调试输出）

软件资源

1. FreeRTOS源码（v10.4.6或更高版本）
2. STM32标准外设库（STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0）
3. 开发环境：Keil MDK-ARM或GCC工具链

创建以下工程目录结构：

/Project├── /CMSIS              # 核心支持文件├── /FreeRTOS           # FreeRTOS源码│   ├── /Source         # 内核源码│   ├── /Portable       # 移植层文件│   └── /MemMang        # 内存管理实现├── /Libraries          # ST标准外设库├── /User               # 用户代码└── /Drivers            # 板级驱动

2. 添加FreeRTOS源码

从FreeRTOS官网下载源码后，复制以下内容：

• FreeRTOS/Source/*.c 到 /FreeRTOS/Source
• FreeRTOS/Source/include 到 /FreeRTOS/include
• FreeRTOS/Source/portable/[Compiler]/ARM_CM3 到 /FreeRTOS/Portable/GCC (或对应编译器目录)
• FreeRTOS/Source/portable/MemMang/heap_4.c 到 /FreeRTOS/MemMang

3. 创建FreeRTOSConfig.h

• 在/User目录下创建FreeRTOSConfig.h配置文件：

  #ifndef FREERTOS_CONFIG_H
  #define FREERTOS_CONFIG_H#include "stm32f10x.h"// 基本配置
  #define configUSE_PREEMPTION        1
  #define configUSE_IDLE_HOOK         0
  #define configUSE_TICK_HOOK         0
  #define configCPU_CLOCK_HZ          (SystemCoreClock)  // 72MHz
  #define configTICK_RATE_HZ          ((TickType_t)1000) // 1ms tick
  #define configMAX_PRIORITIES        (5)
  #define configMINIMAL_STACK_SIZE    ((uint16_t)128)    // 字为单位
  #define configTOTAL_HEAP_SIZE       ((size_t)(10 * 1024)) // 10KB堆
  #define configMAX_TASK_NAME_LEN     (16)// 功能配置
  #define configUSE_16_BIT_TICKS      0
  #define configUSE_MUTEXES           1
  #define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES 1
  #define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1
  #define configUSE_QUEUES            1
  #define configUSE_TIME_SLICING      1// 内存分配方案
  #define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 1
  #define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION  0// 钩子函数
  #define configUSE_IDLE_HOOK         0
  #define configUSE_TICK_HOOK         0// 中断优先级配置 (STM32使用4位优先级)
  #define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY         255 // 等价于15 (0xF)
  #define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    191 // 等价于11 (0xB)// 移植层重定义
  #define vPortSVCHandler    SVC_Handler
  #define xPortPendSVHandler PendSV_Handler
  #define xPortSysTickHandler SysTick_Handler// 断言配置
  #define configASSERT(x) if((x) == 0) { taskDISABLE_INTERRUPTS(); for(;;); }#endif /* FREERTOS_CONFIG_H */
  

4. 修改启动文件

• 在STM32启动文件（如startup_stm32f10x_md.s）中，修改以下中断向量：

  ; 修改前
  ; DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler          
  ; DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler          
  ; DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler         ; 修改后
  DCD     vPortSVCHandler             ; FreeRTOS SVC Handler
  DCD     xPortPendSVHandler          ; FreeRTOS PendSV Handler
  DCD     xPortSysTickHandler         ; FreeRTOS SysTick Handler
  

5. 初始化FreeRTOS

• 在main.c中添加FreeRTOS初始化和任务创建：

  #include "stm32f10x.h"
  #include "FreeRTOS.h"
  #include "task.h"// LED任务函数
  void vLEDTask(void *pvParameters) {const TickType_t xDelay = pdMS_TO_TICKS(500);for(;;) {GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_13)));vTaskDelay(xDelay);}
  }// 调试任务函数
  void vDebugTask(void *pvParameters) {// 初始化串口...for(;;) {// 发送调试信息vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
  }int main(void) {// 系统时钟初始化（72MHz）SystemInit();// 外设初始化（GPIO、USART等）RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);// 创建任务xTaskCreate(vLEDTask, "LED", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 2, NULL);xTaskCreate(vDebugTask, "Debug", configMINIMAL_STACK_SIZE+128, NULL, 1, NULL);// 启动调度器vTaskStartScheduler();// 不应执行到这里while(1);
  }// 空闲任务钩子函数（可选）
  void vApplicationIdleHook(void) {// 低功耗处理__WFI(); // 进入睡眠模式
  }
  

6. 内存管理配置

在工程中包含heap_4.c内存管理实现：

• 这是最推荐的内存管理方案，支持内存碎片整理
• 在FreeRTOSConfig.h中通过configTOTAL_HEAP_SIZE设置堆大小

7. 中断优先级配置要点

• 在STM32F103中正确处理中断优先级：

  // 设置中断分组（在main初始化中调用）
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);// 外设中断优先级设置示例（USART1）
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 10; // 必须高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  

8. 关键移植文件说明

1. port.c (位于/FreeRTOS/Portable/GCC/ARM_CM3)

   • 实现任务上下文切换
   • 提供SysTick和PendSV中断处理
   • 定义临界区进入/退出宏

2. portmacro.h

   • 定义处理器特定数据类型
   • 声明硬件相关宏和函数

3. heap_4.c

   • 内存分配实现
   • 提供pvPortMalloc()和vPortFree()函数

9. 调试与优化技巧

栈溢出检测

• 在FreeRTOSConfig.h中启用栈溢出检测：

  #define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2
  

• 实现栈溢出钩子函数：

  void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName) {// 处理栈溢出错误while(1);
  }
  

堆使用监控

• 在任务中监控堆使用情况：

  void vMonitorTask(void *pvParameters) {for(;;) {size_t freeHeap = xPortGetFreeHeapSize();// 通过串口输出堆使用情况vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));}
  }
  

任务状态监控

• 启用统计功能：

  #define configUSE_TRACE_FACILITY 1
  #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
  

• 获取任务状态：

  void vTaskStats(char *pcWriteBuffer) {TaskStatus_t *pxTaskStatusArray;volatile UBaseType_t uxArraySize, x;uxArraySize = uxTaskGetNumberOfTasks();pxTaskStatusArray = pvPortMalloc(uxArraySize * sizeof(TaskStatus_t));if(pxTaskStatusArray != NULL) {uxArraySize = uxTaskGetSystemState(pxTaskStatusArray, uxArraySize, NULL);for(x = 0; x < uxArraySize; x++) {// 格式化输出任务信息}vPortFree(pxTaskStatusArray);}
  }
  

10. 常见问题解决

1. 任务无法调度

   • 检查vTaskStartScheduler()是否被调用
   • 验证SysTick中断是否正常工作
   • 确保PendSV和SVC中断优先级设置为最低

2. HardFault异常

   • 检查栈大小是否足够（使用栈高水位线检测）
   • 确认内存访问权限（特别是MPU配置）
   • 检查中断处理函数是否调用了FreeRTOS API

3. 堆分配失败

   • 增加configTOTAL_HEAP_SIZE
   • 使用xPortGetFreeHeapSize()监控内存使用
   • 考虑静态分配任务内存

4. 时间相关函数不准确

   • 确认configCPU_CLOCK_HZ和configTICK_RATE_HZ设置正确
   • 检查系统时钟配置是否为72MHz
   • 验证SysTick重载值计算

11. 高级配置选项

低功耗模式

void vApplicationIdleHook(void) {// 进入STOP模式PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);// 唤醒后重新配置时钟SystemInit();
}

使用静态内存分配

// 定义任务控制块和栈
static StaticTask_t xTaskTCB;
static StackType_t xTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];// 创建任务
xTaskCreateStatic(vTaskFunction, "Task", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, xTaskStack, &xTaskTCB);

软件定时器

在FreeRTOSConfig.h中启用：

#define configUSE_TIMERS 1
#define configTIMER_TASK_PRIORITY (configMAX_PRIORITIES-1)
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH 5
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH (configMINIMAL_STACK_SIZE*2)

创建定时器：

TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate("Timer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, NULL, vTimerCallback);
xTimerStart(xTimer, 0);

12. 总结

通过以上步骤，你已经完成了：

1. 手动移植FreeRTOS到STM32F103
2. 正确配置内核参数和中断优先级
3. 创建并管理多个任务
4. 实现基本调试和监控功能
5. 应用高级功能如低功耗模式和静态分配

源码移植方式虽然步骤较多，但提供了更深层次的理解和更大的灵活性。关键点在于：

• 正确配置FreeRTOSConfig.h参数
• 确保中断优先级设置合理
• 仔细管理内存资源
• 使用调试工具监控系统状态

这种移植方式特别适合对实时性要求高、需要深度优化的应用场景。