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，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)應用程序提供一致的基礎。

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，不會有較長的延時。這種特性保證了各個任務的及時執(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。

實時操作系統(tǒng)中都要包含一個實時任務調(diào)度器，這個任務調(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任務切換的開銷太大，實時調(diào)度器可以避免任務頻繁切換導致CPU時間的浪費；另一個是在一些特殊的應用場景中，必須要保證重要的任務優(yōu)先被執(zhí)行。

在這樣的背景下，實時操作系統(tǒng)就被設計出來了，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在嵌入式設備上的推廣，使用實時操作系統(tǒng)的很多設備已經(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、軍工領域等，仍然對實時操作系統(tǒng)有需求，并且應該會長期存在。

為什么嵌入式設備往往使用RTOS？

由于嵌入式設備對資源，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，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，我們學習中最常用的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，我剛入門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，算是方便了后面學習的人。

具體步驟

1. 首先準備一個基礎項目，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：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的關鍵，后面的學習中，還會涉及到，讀者也可以在網(wǎng)上查一查相關內(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

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鍵，后面會繼續(xù)分享更多嵌入式相關內(nèi)容。