【GD32】FreeRTOS实时操作系统移植（GD32F470ZGT6）

news2024/9/20 14:31:15

1. 简介

        在日常的应用开发项目中，常常需要单片机具有处理多种任务的需求，如果使用裸机开发那么肯定是不现实的，因为受限于IO与处理器的巨大速度差异，在裸机下处理器常常要等待当前IO操作完成才能进行下一个任务，效率大打折扣。

        因此使用实时操作系统成为首选，市面上比较火的的实时操作系统有很多，像这里要介绍的FreeRTOS就是其中之一。FreeRTOS可以说是非常老牌的实时操作系统了，发布至今已经有十几年了，但受欢迎程度至今依然非常高，可以说是初学者必学的第一个RTOS系统。

        FreeRTOS目前是被亚马逊收购了，收购后主要的改变就是加入了亚马逊的AWS物联网框架，不过我们只需要移植内核就够了。更多的文档可以在FreeRTOS官网上找到。

2. 移植

        移植的FreeRTOS版本为FreeRTOS 202406.01 LTS。

2.1 添加文件

        下载源码后解压，进入“FreeRTOS-Kernel”这个文件夹，里面就是内核源码，把它复制到项目的根目录下。

        之后在Keil中添加对应的文件。首先是导入源码根目录的所有.c文件；然后进入portable ->MemMang这个文件夹，里面存放的是一些内存管理相关的代码，每一个文件代表了一种内存管理方式，所以并不是全部都要导入，一般来说导入heap_4.c，这个文件代表使用硬件堆内存进行内存管理，如果你使用的是外部RAM，那么应该导入heap_5.c，它可以允许外部RAM分配。最后，如果你的使用AC5编译器，那么下一步要导入RVDS -> ARM_CM4F中的.c文件；如果你使用的是AC6编译器，那么导入GCC -> ARM_CM4F中的.c文件。

        所有导入的文件如下所示。

        当然还要添加头文件路径，我使用的是AC6编译器，所以路径添加如下。

        FreeRTOS提供了丰富的选项给用户进行内核的裁切，在examples -> template_configuration下的FreeRTOSConfig.h文件中。里面的配置有大几百项，都有详细的说明，只不过是全英文的，所以下面给一个我使用的精简版带中文注释的配置文件。

#ifndef FREERTOS_CONFIG_H
#define FREERTOS_CONFIG_H

#include "gd32f4xx.h"

#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)
    #include <stdint.h>
    extern uint32_t SystemCoreClock;
#endif

/* 断言 */
#include <stdio.h>
#define vAssertCalled(char, int)                    printf("Error:%s,%d\r\n", char, int)
#define configASSERT(x) if((x)==0)                  vAssertCalled(__FILE__, __LINE__)

#define configUSE_PREEMPTION                        1

/* 使用时间片调度 */
#define configUSE_TIME_SLICING                      1		
/* 优化的任务调度算法 */
#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION	    1                       
/* 低功耗内核定时器 */
#define configUSE_TICKLESS_IDLE                     0   
/* 处理器时钟频率 */
#define configCPU_CLOCK_HZ                          (SystemCoreClock)
/* 每秒TICK数 */
#define configTICK_RATE_HZ                          (( TickType_t )1000)
/* 最大优先级数 */
#define configMAX_PRIORITIES                        (32)
/* 最小任务栈空间 */
#define configMINIMAL_STACK_SIZE                    ((unsigned short)128)
/* 最大任务名长度 */
#define configMAX_TASK_NAME_LEN                     (16)
/* 定时器宽度 */
#define configTICK_TYPE_WIDTH_IN_BITS               TICK_TYPE_WIDTH_32_BITS
/* 空闲任务让度 */
#define configIDLE_SHOULD_YIELD                     0
/* 使用任务队列 */
#define configUSE_QUEUE_SETS                        0    
/* 使用任务通知 */
#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS                1   
/* 使用互斥量 */
#define configUSE_MUTEXES						    0    
/* 使用递归互斥量 */
#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES                 0   
/* 使用计数信号量 */
#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES               0
/* 使用应用任务标签 */
#define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG              0
                      
/* 使用动态任务创建 */
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION            1    
/* 使用静态任务创建 */
#define configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION             0					
/* 堆空间大小 */
#define configTOTAL_HEAP_SIZE                       ((size_t)(36*1024))    

/* 使用空闲钩子 */
#define configUSE_IDLE_HOOK                         0      
/* 使用tick钩子 */
#define configUSE_TICK_HOOK                         0           
/* 使用内存空间分配失败钩子 */
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK                0 
/* 堆溢出检查 */
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW              0   

/* 创建运行状态 */
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS               0             
/* 使用跟踪功能 */
#define configUSE_TRACE_FACILITY                    0
/* 使用状态格式化函数 */
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS        0

#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
#include "trcRecorder.h"
#endif

/* 使用协程 */                                                                        
#define configUSE_CO_ROUTINES                       0                 
/* 协程任务优先级 */
#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES             ( 2 )                   

/* 使用定时器 */
#define configUSE_TIMERS				            0                              
/* 定时器任务优先级 */
#define configTIMER_TASK_PRIORITY                   (configMAX_PRIORITIES-1)        
/* 定时器队列长度 */
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH                    10                               
/* 定时器任务栈空间 */
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH                (configMINIMAL_STACK_SIZE*2)    

/* 获取任务状态函数 */
#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState              1
#define INCLUDE_eTaskGetState                       1
/* 设置任务优先级函数 */
#define INCLUDE_vTaskPrioritySet                    1
/* 获取任务优先级函数 */
#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet                   1
/* 删除任务函数 */
#define INCLUDE_vTaskDelete                         1
/* 资源释放函数 */
#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources               1
/* 任务挂起函数 */
#define INCLUDE_vTaskSuspend                        1
/* 延时函数 */
#define INCLUDE_vTaskDelayUntil                     1
#define INCLUDE_vTaskDelay                          1
/*  */
#define INCLUDE_xTimerPendFunctionCall              0
/* 获取当前任务句柄函数 */
#define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle           1
/*  */
#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark         0
/* 获取空闲任务句柄 */
#define INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle              0

/* 任务优先级宽度 */
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
	#define configPRIO_BITS                         __NVIC_PRIO_BITS
#else
	#define configPRIO_BITS                         4                  
#endif
/* 内核优先级数 */
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY             ( 15 << (8 - configPRIO_BITS) )	/* 240 */
/* 系统优先级数 */
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY        ( 5 << (8 - configPRIO_BITS) )  /* 80 */

/* 系统中断移植 */
#define xPortPendSVHandler                          PendSV_Handler
#define vPortSVCHandler                             SVC_Handler

#endif /* FREERTOS_CONFIG_H */

2.2 代码移植

        导入文件后，还需要对原来的代码进行一些调整。

        首先，以前我们需要自己实现SysTick定时，但FreeRTOS内部已经帮我们实现了，所以SysTick的中断需改写成下面。

extern void xPortSysTickHandler(void);
void SysTick_Handler(void)
{	
    #if (INCLUDE_xTaskGetSchedulerState  == 1 )
    if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED)
    {
    #endif  /* INCLUDE_xTaskGetSchedulerState */  
        xPortSysTickHandler();
    #if (INCLUDE_xTaskGetSchedulerState  == 1 )
    }
    #endif  /* INCLUDE_xTaskGetSchedulerState */
}

        另外，实时操作系统的运行是依靠PendSV和SVC这两个中断的，FreeRTOS内部有对应的代码实现，因此我们需要在之前的文件中注释掉这两个中断的实现。

        做完这些步骤以后，项目正常来说就能编译成功了。

2.3 测试例程

        简单写一个点灯例程测试FreeRTOS的运行。

static void led_init(void)
{
	rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOE);
	gpio_mode_set(GPIOE, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_3);
	gpio_output_options_set(GPIOE, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_3);
}

static void led_task(void* args)
{
    led_init();
    
	for(;;)
	{
		gpio_bit_set(GPIOE, GPIO_PIN_3);
		printf("LED OFF\n");
		vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
		gpio_bit_reset(GPIOE, GPIO_PIN_3);
		printf("LED ON\n");
		vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
	}
}

int main(void)
{	
    nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0);
	DEBUG_Init();
	xTaskCreate(led_task, "InitTask", 1024, NULL, 5, NULL);
	vTaskStartScheduler();
    while(1);
}

        首先把中断组设成4位抢占位，这个非常重要，不然在调用含ISP结尾的API时可能会出问题。

        调xTaskCreate创建任务，第一个参数是任务函数指针；第二个参数是任务的名字；第三个参数是任务栈空间，如果任务的调用深度越深和里面定义的变量越多，那么这个就要对应的设大点，不然会导致栈溢出；第四个参数是用户数据指针，如果要传数据给任务就可以设置；第五个参数是任务的优先级，数字越大优先级越高，这个跟单片机的优先级逻辑是相反的；第六个参数是任务句柄，如果不需要获取任务的句柄那么可以传空指针。

        调vTaskStartScheduler启动任务调度。

        一般来说，在led_task任务函数里面，先初始化LED灯，然后在死循环里面每隔一秒改变一次灯的状态，使用vTaskDelay函数进行延时，里面的数要除portTICK_PERIOD_MS这个宏转成毫秒值。

2.4 运行效果

        下载后应该能看到板子上的灯闪烁，串口打印如下。

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