引言

本文詳細介紹如何移植FreeRTOS到STM32單片機上。移植操作系統(tǒng)是嵌入式開發(fā)的入門基礎(chǔ)，單片機和嵌入式在物理上其實是一摸一樣的，區(qū)別就是軟件上嵌入式跑了操作系統(tǒng)而單片機沒有。本文選用市場上最常見的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？

實時操作系統(tǒng)（Real-time operating system, RTOS），它會按照排序運行、管理系統(tǒng)資源，并為開發(fā)應(yīng)用程序提供一致的基礎(chǔ)。

實時操作系統(tǒng)與一般的操作系統(tǒng)相比，最大的特色就是“實時性”，如果有一個任務(wù)需要執(zhí)行，實時操作系統(tǒng)會馬上（在較短時間內(nèi)）執(zhí)行該任務(wù)，不會有較長的延時。這種特性保證了各個任務(wù)的及時執(zhí)行。

只有“實時性”才是RTOS的最大特征，其它的都不算是。

實時運算是計算機科學(xué)中對受到“實時約束”的計算機硬件和計算機軟件系統(tǒng)的研究，實時約束像是從事件發(fā)生到系統(tǒng)回應(yīng)之間的最長時間限制。實時程序必須保證在嚴格的時間限制內(nèi)響應(yīng)。

實時操作系統(tǒng)中都要包含一個實時任務(wù)調(diào)度器，這個任務(wù)調(diào)度器與其它操作系統(tǒng)的最大不同是強調(diào)：嚴格按照優(yōu)先級來分配CPU時間，并且時間片輪轉(zhuǎn)不是實時調(diào)度器的一個必選項。

提出實時操作系統(tǒng)的概念，可以至少解決兩個問題：一個是早期的CPU任務(wù)切換的開銷太大，實時調(diào)度器可以避免任務(wù)頻繁切換導(dǎo)致CPU時間的浪費；另一個是在一些特殊的應(yīng)用場景中，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，實時操作系統(tǒng)就被設(shè)計出來了，典型的實時操作系統(tǒng)有FreeRTOS、VxWorks，RT-Thread，uCOS，QNX，WinCE等。

由于設(shè)備性能的發(fā)展，原來很多實時性要求高的場景，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，使用實時操作系統(tǒng)的很多設(shè)備已經(jīng)改用Linux了，因為硬件性能的提升會讓系統(tǒng)延遲降低到一個用戶可以接受的程度。

但在某些特定的場景下，比如工業(yè)自動化、機器人、航空航天、軍工領(lǐng)域等，仍然對實時操作系統(tǒng)有需求，并且應(yīng)該會長期存在。

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。相對于通用的分時操作系統(tǒng)，如linux，Windows而言，RTOS更強調(diào)實時。

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

FreeRTOS

FreeRTOS應(yīng)該算是目前最流行的嵌入式操作系統(tǒng)之一，具體原因當然是因為開源，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行，我們學(xué)習(xí)中最常用的STM32F103C8T6跑很多RTOS都可能因為內(nèi)存受限，但FreeRTOS就不會，完全能滿足我們?nèi)粘５拈_發(fā)需求。當然了，F(xiàn)reeRTOS 不僅局限于在微控制器中使用。但從文件數(shù)量上來看 FreeRTOS 要比UCOSII 和 UCOSIII 小的多。

FreeRTOS最開始網(wǎng)站是全英的，我剛?cè)腴T的時候因為英語不好，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. 首先準備一個基礎(chǔ)項目，我們的點燈或者串口收發(fā)這種簡單的程序就行，甚至連點燈都沒有的項目也可以。畢竟操作系統(tǒng)也要依托于一個MCU的項目。
2. 獲取FreeRTOS系統(tǒng)源碼，兩種方法。

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

• CSDN資源平臺:

  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，我們進入FreeRTOSv202112.00,之后進入FreeRTOS,再后進入吧Source文件。一會我們需要用到的文件主要就在這里。

3. 我們在我們準備的項目中創(chuàng)建一個文件夾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. 進行剪裁，portable 文件夾，我們只需要留下 keil、MemMang 和 RVDS這三個文件夾，其他的都可以刪除掉。
5. 向工程分組中添加文件，創(chuàng)建兩個組，分別是FreeRTOS_CORE和FreeRTOS_Portable。

將FreeRTOS相關(guān)的文件添加進來。

port.c 是 RVDS 文件夾下的 ARM_CM3 中的文件，因為 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)的頭文件添加進項目。

7. 頭文件路徑添加完成以后編譯一下，看看有沒有什么錯誤，結(jié)果會發(fā)現(xiàn)提示打不開“FreeRTOSConfig.h”這個文件，因為我們還沒添加這個文件。這個文件最好是自己編寫，當然官方也給我提供了一些例程。打開我們最開始下載的FreeRTOS源碼，里面的Deme文件夾中有一個CORTEX_STM32F103_Keil文件夾，我們可以看到，里面是有這個.h文件的。

我們把這個文件復(fù)制粘貼放進我們的項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目，看看是否出現(xiàn)錯誤，如果出現(xiàn)錯誤就按照錯誤改正就好了，一般情況下不會出現(xiàn)什么錯誤，如果有錯，絕大多數(shù)都是因為FreeRTOSConfig.h的配置問題，因為問題種類多樣，這里就不一一列舉，大家可以在網(wǎng)上搜索，我也會總結(jié)移植常遇到的問題和解決方法，后面再寫一篇推文給大家分享。
9. 移植成功，大家可以動手試試了。

總結(jié)

當裸機開發(fā)的實時性差，資源浪費和編寫困難等問題逐漸暴露出來時，RTOS就是我們首選的解決方式。我們也就從單片機工程師轉(zhuǎn)變成嵌入式工程師了。本文詳細介紹了如何移植FreeRTOS到STM32上，這是嵌入式入門的關(guān)鍵，后面會繼續(xù)分享更多嵌入式相關(guān)內(nèi)容。