引言

本文詳細(xì)介紹如何移植FreeRTOS到STM32單片機(jī)上。移植操作系統(tǒng)是嵌入式開(kāi)發(fā)的入門基礎(chǔ)，單片機(jī)和嵌入式在物理上其實(shí)是一摸一樣的，區(qū)別就是軟件上嵌入式跑了操作系統(tǒng)而單片機(jī)沒(méi)有。本文選用市場(chǎng)上最常見(jiàn)的STM32和FreeRTOS，為大家介紹如何移植操作系統(tǒng)到MCU上。

介紹

什么是 RTOS？

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-time operating system, RTOS），它會(huì)按照排序運(yùn)行、管理系統(tǒng)資源，并為開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序提供一致的基礎(chǔ)。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與一般的操作系統(tǒng)相比，最大的特色就是“實(shí)時(shí)性”，如果有一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)馬上（在較短時(shí)間內(nèi)）執(zhí)行該任務(wù)，不會(huì)有較長(zhǎng)的延時(shí)。這種特性保證了各個(gè)任務(wù)的及時(shí)執(zhí)行。

只有“實(shí)時(shí)性”才是RTOS的最大特征，其它的都不算是。

實(shí)時(shí)運(yùn)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)中對(duì)受到“實(shí)時(shí)約束”的計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的研究，實(shí)時(shí)約束像是從事件發(fā)生到系統(tǒng)回應(yīng)之間的最長(zhǎng)時(shí)間限制。實(shí)時(shí)程序必須保證在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)響應(yīng)。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中都要包含一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度器，這個(gè)任務(wù)調(diào)度器與其它操作系統(tǒng)的最大不同是強(qiáng)調(diào)：嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)來(lái)分配CPU時(shí)間，并且時(shí)間片輪轉(zhuǎn)不是實(shí)時(shí)調(diào)度器的一個(gè)必選項(xiàng)。

提出實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念，可以至少解決兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是早期的CPU任務(wù)切換的開(kāi)銷太大，實(shí)時(shí)調(diào)度器可以避免任務(wù)頻繁切換導(dǎo)致CPU時(shí)間的浪費(fèi)；另一個(gè)是在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中，必須要保證重要的任務(wù)優(yōu)先被執(zhí)行。

在這樣的背景下，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)就被設(shè)計(jì)出來(lái)了，典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有FreeRTOS、VxWorks，RT-Thread，uCOS，QNX，WinCE等。

由于設(shè)備性能的發(fā)展，原來(lái)很多實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景，已經(jīng)切換到普通的操作系統(tǒng)了。Linux在嵌入式設(shè)備上的推廣，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的很多設(shè)備已經(jīng)改用Linux了，因?yàn)橛布阅艿奶嵘龝?huì)讓系統(tǒng)延遲降低到一個(gè)用戶可以接受的程度。

但在某些特定的場(chǎng)景下，比如工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、航空航天、軍工領(lǐng)域等，仍然對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有需求，并且應(yīng)該會(huì)長(zhǎng)期存在。

為什么嵌入式設(shè)備往往使用RTOS？

由于嵌入式設(shè)備對(duì)資源，功耗很敏感，所以RTOS也具備可裁剪、低功耗、資源占用率低等特點(diǎn)。相對(duì)于通用的分時(shí)操作系統(tǒng)，如linux，Windows而言，RTOS更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)。

RTOS保證了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠完成某個(gè)任務(wù)，如果不能在指定時(shí)間完成會(huì)造成重大事故，所以必須某些場(chǎng)景必須使用RTOS。

FreeRTOS

FreeRTOS應(yīng)該算是目前最流行的嵌入式操作系統(tǒng)之一，具體原因當(dāng)然是因?yàn)殚_(kāi)源，畢竟產(chǎn)品還是要控制成本的。FreeRTOS 十分的小巧，可以在資源有限的微控制器中運(yùn)行，我們學(xué)習(xí)中最常用的STM32F103C8T6跑很多RTOS都可能因?yàn)閮?nèi)存受限，但FreeRTOS就不會(huì)，完全能滿足我們?nèi)粘５拈_(kāi)發(fā)需求。當(dāng)然了，F(xiàn)reeRTOS 不僅局限于在微控制器中使用。但從文件數(shù)量上來(lái)看 FreeRTOS 要比UCOSII 和 UCOSIII 小的多。

FreeRTOS最開(kāi)始網(wǎng)站是全英的，我剛?cè)腴T的時(shí)候因?yàn)橛⒄Z(yǔ)不好，飽受折磨。現(xiàn)在網(wǎng)站已經(jīng)能切換中文了，算是方便了后面學(xué)習(xí)的人。

具體步驟

1. 首先準(zhǔn)備一個(gè)基礎(chǔ)項(xiàng)目，我們的點(diǎn)燈或者串口收發(fā)這種簡(jiǎn)單的程序就行，甚至連點(diǎn)燈都沒(méi)有的項(xiàng)目也可以。畢竟操作系統(tǒng)也要依托于一個(gè)MCU的項(xiàng)目。
2. 獲取FreeRTOS系統(tǒng)源碼，兩種方法。

• 公眾號(hào)：物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，后臺(tái)回復(fù)：FreeRTOS源碼

• CSDN資源平臺(tái):

  https://download.csdn.net/download/qq_44629109/87354102

• 官網(wǎng)下載：https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s/

2. 解壓我們下載的文件，我們進(jìn)入FreeRTOSv202112.00,之后進(jìn)入FreeRTOS,再后進(jìn)入吧Source文件。一會(huì)我們需要用到的文件主要就在這里。

3. 我們?cè)谖覀儨?zhǔn)備的項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)文件夾FreeRTOS，將上面一步的文件中的內(nèi)容復(fù)制到剛創(chuàng)建的FreeRTOS中。

4. 進(jìn)行剪裁，portable 文件夾，我們只需要留下 keil、MemMang 和 RVDS這三個(gè)文件夾，其他的都可以刪除掉。
5. 向工程分組中添加文件，創(chuàng)建兩個(gè)組，分別是FreeRTOS_CORE和FreeRTOS_Portable。

將FreeRTOS相關(guān)的文件添加進(jìn)來(lái)。

port.c 是 RVDS 文件夾下的 ARM_CM3 中的文件，因?yàn)?STM32F103 是 Cortex-M3 內(nèi)核的，因此要選擇 ARM_CM3中的 port.c 文件。heap_4.c 是 MemMang 文件夾中的。

6. 添加頭文件，我們將FreeRTOS相關(guān)的頭文件添加進(jìn)項(xiàng)目。

7. 頭文件路徑添加完成以后編譯一下，看看有沒(méi)有什么錯(cuò)誤，結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)提示打不開(kāi)“FreeRTOSConfig.h”這個(gè)文件，因?yàn)槲覀冞€沒(méi)添加這個(gè)文件。這個(gè)文件最好是自己編寫(xiě)，當(dāng)然官方也給我提供了一些例程。打開(kāi)我們最開(kāi)始下載的FreeRTOS源碼，里面的Deme文件夾中有一個(gè)CORTEX_STM32F103_Keil文件夾，我們可以看到，里面是有這個(gè).h文件的。

我們把這個(gè)文件復(fù)制粘貼放進(jìn)我們的項(xiàng)目中存放頭文件的文件夾即可。FreeRTOSConfig.h是剪裁RTOS的關(guān)鍵，后面的學(xué)習(xí)中，還會(huì)涉及到，讀者也可以在網(wǎng)上查一查相關(guān)內(nèi)容。

8. 我們編譯一下我們的項(xiàng)目，看看是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤就按照錯(cuò)誤改正就好了，一般情況下不會(huì)出現(xiàn)什么錯(cuò)誤，如果有錯(cuò)，絕大多數(shù)都是因?yàn)镕reeRTOSConfig.h的配置問(wèn)題，因?yàn)閱?wèn)題種類多樣，這里就不一一列舉，大家可以在網(wǎng)上搜索，我也會(huì)總結(jié)移植常遇到的問(wèn)題和解決方法，后面再寫(xiě)一篇推文給大家分享。
9. 移植成功，大家可以動(dòng)手試試了。

總結(jié)

當(dāng)裸機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)性差，資源浪費(fèi)和編寫(xiě)困難等問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)時(shí)，RTOS就是我們首選的解決方式。我們也就從單片機(jī)工程師轉(zhuǎn)變成嵌入式工程師了。本文詳細(xì)介紹了如何移植FreeRTOS到STM32上，這是嵌入式入門的關(guān)鍵，后面會(huì)繼續(xù)分享更多嵌入式相關(guān)內(nèi)容。