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STM32F407移植FreeRTOS完整教程(HAL库版本)

news 2025/10/29 6:50:06

STM32F407移植FreeRTOS完整教程(HAL库版本)

📌 本文适合嵌入式初学者,将手把手教你如何在STM32F407VET6上移植FreeRTOS实时操作系统。

📖 前言

FreeRTOS是一个轻量级的实时操作系统(RTOS),在嵌入式开发中应用非常广泛。本教程将基于STM32F407VET6芯片,使用HAL库,详细讲解如何从零开始移植FreeRTOS。

🎯 学习目标:

理解FreeRTOS的基本架构
掌握FreeRTOS在STM32上的移植方法
创建包含LED、按键、串口的基础工程

一、准备工作

1.1 什么是FreeRTOS?

FreeRTOS(Free Real Time Operating System)是一个免费的实时操作系统内核。简单来说,它就像一个"任务管理器",可以让你的单片机同时运行多个任务,比如一边闪烁LED,一边接收串口数据,一边检测按键。

核心概念:

任务(Task): 可以理解为一个独立的"小程序"
调度器(Scheduler): 负责分配CPU时间给各个任务
可裁剪性: 可以根据需求删减功能,节省存储空间

1.2 硬件与软件环境

开发板: STM32F407VET6(Cortex-M4架构)
开发工具: Keil MDK5
HAL库: STM32CubeMX生成
FreeRTOS版本: V9.0.0(其他版本步骤类似)

二、创建基础HAL库工程

在移植FreeRTOS之前,我们需要先用STM32CubeMX创建一个基础工程。

2.1 配置基础外设

使用STM32CubeMX配置以下模块:

/* 基础外设配置清单 */
✅ LED   - 用于指示任务运行状态
✅ 按键   - 用于触发任务事件
✅ 串口   - 用于调试信息输出(USART1)
✅ 时钟   - 配置系统时钟为168MHz

⚠️ 重要提示:

SysTick定时器稍后会被FreeRTOS接管,需要修改HAL库的时基源
建议将HAL时基源改为TIM6或TIM7

2.2 修改HAL库时基源(关键步骤!)

在STM32CubeMX中:

进入 SYS 配置页
将 Timebase Source 从 SysTick 改为 TIM7

时基源配置

为什么要这样做?

FreeRTOS需要占用SysTick定时器作为系统心跳(节拍),如果HAL库也使用SysTick,就会产生冲突。所以我们把HAL库的时基改用其他定时器。

三、FreeRTOS文件结构分析

在正式移植前,我们先了解一下FreeRTOS的文件组成。

3.1 创建工程文件夹

在你的工程目录下建立以下结构:

📦 工程根目录┣ 📂 Mid                    // 中间件文件夹┃ ┗ 📂 FreeRTOS            // FreeRTOS主目录┃   ┣ 📂 source           // 源文件(核心.c文件)┃   ┗ 📂 portable         // 移植文件(硬件相关)┣ 📂 Core                  // HAL库工程文件┗ 📂 Drivers               // HAL库驱动

文件夹结构

3.2 需要移植的文件清单

FreeRTOS移植需要4类文件:

① 核心源文件(7个.c文件)

从 FreeRTOS/Source 目录复制以下文件到 source 文件夹:

tasks.c        // 任务管理(最核心)
queue.c        // 队列通信
list.c         // 链表操作
timers.c       // 软件定时器
event_groups.c // 事件组
croutine.c     // 协程(可选,一般不用)

核心源文件

文件功能说明:

tasks.c: 实现任务创建、删除、调度等功能
queue.c: 实现任务间数据传递
list.c: 提供链表数据结构支持(内部使用)

② 硬件移植文件(架构相关)

这部分文件与CPU架构和编译器有关。

选择路径:FreeRTOS/Source/portable/RVDS/ARM_CM4F

RVDS = RealView Development Suite(Keil使用的编译器)
ARM_CM4F = ARM Cortex-M4F架构(STM32F407是M4内核)

需要复制到 portable 文件夹的文件:

port.c         // 底层接口实现
portmacro.h    // 架构相关宏定义

架构文件

架构选择对照表:

芯片系列	CPU内核	文件夹选择
STM32F1	Cortex-M3	ARM_CM3
STM32F4	Cortex-M4F	ARM_CM4F
STM32F7	Cortex-M7	ARM_CM7

③ 内存管理文件

从 FreeRTOS/Source/portable/MemMang 复制一个 heap_x.c 文件。

常用选择: heap_4.c(推荐新手使用)

heap_1.c  // 最简单,只分配不释放
heap_2.c  // 可释放,但不能合并碎片
heap_3.c  // 调用标准库的malloc/free
heap_4.c  // 可释放+碎片合并(最常用)⭐
heap_5.c  // 支持不连续内存区域

内存管理

④ 配置头文件

从 FreeRTOS/Demo/CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK 复制:

FreeRTOSConfig.h  // FreeRTOS配置文件

建议放到工程的 Core/Inc 或 User 文件夹。

配置文件

⑤ 头文件目录

复制整个 include 文件夹到 FreeRTOS 目录:

include/┣ FreeRTOS.h      // 主头文件┣ task.h          // 任务相关┣ queue.h         // 队列相关┣ semphr.h        // 信号量相关┗ ...

四、Keil工程配置

4.1 添加源文件到工程

在Keil的Project窗口添加分组:

添加分组

操作步骤:

右键工程 → Add Group → 命名为 FreeRTOS
右键 FreeRTOS 组 → Add Existing Files to Group
添加以下文件:

/* source文件夹 */
tasks.c
queue.c
list.c
timers.c
event_groups.c/* portable文件夹 */
port.c
heap_4.c/* 配置文件(可选添加,方便查看) */
FreeRTOSConfig.h

文件添加结果

4.2 添加头文件路径

点击Keil的"魔术棒"图标 → C/C++ → Include Paths,添加:

../Mid/FreeRTOS/source/include
../Mid/FreeRTOS/portable
../Core/Inc  (FreeRTOSConfig.h所在目录)

头文件路径

五、配置文件修改(关键步骤)

5.1 FreeRTOSConfig.h修改(STM32F407)

打开 FreeRTOSConfig.h,修改以下内容:

① 修改外部引用头文件

找到文件末尾,确保有以下定义:

/* 将FreeRTOS的中断函数映射到STM32的中断向量 */
#define xPortPendSVHandler  PendSV_Handler   // 任务切换中断
#define vPortSVCHandler     SVC_Handler      // 系统调用中断
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler  // 时钟节拍中断

为什么要这样做?

FreeRTOS使用了3个中断,但函数名与STM32启动文件中的不同。通过宏定义重命名,避免链接错误。

② 修改中断优先级配置

按下图修改其余参数。

配置修改

5.2 删除冲突的中断函数

打开 stm32f4xx_it.c,注释掉以下三个中断函数:

/* 这些函数已由FreeRTOS接管,保留会导致重复定义 */
// void SVC_Handler(void)
// {
// }// void PendSV_Handler(void)
// {
// }// void SysTick_Handler(void)
// {
//   HAL_IncTick();
// }