📚 课程目录第2章 RTOS内核移植到目标硬件

2. RTOS内核移植到目标硬件

任务目标

将FreeRTOS内核移植到指定MCU（以STM32F103系列为例），完成系统时钟节拍（SysTick）配置与任务调度初始化，最终运行两个独立LED闪烁任务，验证内核移植正确性。

环境依赖

硬件：STM32F103C8T6最小系统板（蓝丸），板载LED：PC13（低电平点亮）
工具链：arm-none-eabi-gcc + CMake，或Keil MDK（二选一）
FreeRTOS源码：V10.4.6+（需包含 portable/GCC/ARM_CM3 目录）
STM32标准外设库或HAL库（仅用于时钟初始化与GPIO控制）

移植核心步骤

将FreeRTOS源码中的 tasks.c、queue.c、list.c、timers.c 及 portable/GCC/ARM_CM3/port.c 加入工程。
提供 FreeRTOSConfig.h 配置文件（见下文代码块）。
在启动文件（startup_stm32f103.s）中确保 PendSV_Handler、SysTick_Handler 分别映射到 xPortPendSVHandler、xPortSysTickHandler（若使用官方启动文件，需修改中断向量表名称）。
主函数中先初始化系统时钟（72MHz），再调用 vTaskStartScheduler() 启动调度器。

关键完整代码

// FreeRTOSConfig.h —— 最小配置
#ifndef FREERTOS_CONFIG_H
#define FREERTOS_CONFIG_H

#define configUSE_PREEMPTION            1
#define configUSE_IDLE_HOOK             0
#define configUSE_TICK_HOOK             0
#define configCPU_CLOCK_HZ              ( 72000000UL )
#define configTICK_RATE_HZ              ( 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES            ( 5 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE        ( 128 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE           ( 8 * 1024 )
#define configMAX_TASK_NAME_LEN         ( 16 )
#define configUSE_16_BIT_TICKS          0
#define configIDLE_SHOULD_YIELD         1
#define configUSE_MUTEXES               0
#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES     0
#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES   0
#define configUSE_TIMERS                0
#define configUSE_QUEUE_SETS            0
#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS    1

#define configASSERT( x )               if( ( x ) == 0 ) { taskDISABLE_INTERRUPTS(); for( ;; ); }

/* 中断优先级配置（Cortex-M3 必须） */
#define configPRIO_BITS                 4
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY     0x0f
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY     ( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )

#define xPortPendSVHandler              PendSV_Handler
#define xPortSysTickHandler             SysTick_Handler
#define vPortSVCHandler                 SVC_Handler

#endif /* FREERTOS_CONFIG_H */

// main.c —— 完整移植验证代码
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f10x.h"

/* 两个LED任务：PC13为板载LED，另用PA0外接LED（均低电平点亮） */
static void vLED1_Task(void *pvParameters) {
    (void)pvParameters;
    GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
    for (;;) {
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);   // 灭
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13); // 亮
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));
    }
}

static void vLED2_Task(void *pvParameters) {
    (void)pvParameters;
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
    for (;;) {
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);    // 灭
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);  // 亮
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(300));
    }
}

static void vInitGPIO(void) {
    GPIO_InitTypeDef gpio;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;

    gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_Init(GPIOC, &gpio);

    gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio);
}

int main(void) {
    /* 系统时钟初始化为72MHz（使用标准库SystemInit，已在启动文件中调用） */
    vInitGPIO();

    xTaskCreate(vLED1_Task, "LED1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vLED2_Task, "LED2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL);

    vTaskStartScheduler();  /* 启动调度器，不会返回 */

    for (;;);  /* 异常时到达此处 */
}

编译与运行

若使用CMake + arm-none-eabi-gcc，需在链接脚本中确保堆栈足够（建议堆≥8KB），并链接FreeRTOS全部源文件。
若使用Keil，将上述文件加入工程，并在Options→Target中勾选“Use MicroLIB”，将STM32启动文件中的中断向量名改为 PendSV_Handler、SysTick_Handler、SVC_Handler（与FreeRTOSConfig.h中的宏映射一致）。
编译烧录后，板载LED（PC13）以200ms间隔闪烁，外接LED（PA0）以300ms间隔闪烁。

验证方法与判定标准

两个LED同时开始闪烁，且频率不同（PC13约2.5Hz，PA0约1.67Hz），说明两个任务均被调度执行。
若仅一个LED闪烁或系统死机，检查：
- SysTick中断优先级是否低于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（在 NVIC_PriorityGroupConfig 中设置）；
- 启动文件中三个中断向量名是否与FreeRTOSConfig.h映射一致；
- 堆大小 configTOTAL_HEAP_SIZE 是否足够两个任务栈（每个任务128字，共约1KB，8KB堆足够）。
用调试器暂停内核，查看 pxCurrentTCB 指向的任务是否在 vLED1_Task 与 vLED2_Task 间交替，可确认任务调度正常。

常见问题

编译报错“Undefined symbol xPortPendSVHandler”：启动文件中的中断服务函数名必须与FreeRTOSConfig.h中宏定义一致，或直接修改启动文件为FreeRTOS提供的名称。
任务不切换：确认 configUSE_PREEMPTION 为1，且SysTick中断已触发（检查NVIC配置）。
进入HardFault：多为栈溢出或中断优先级配置错误，检查 configASSERT 是否触发，以及最小栈大小是否满足任务局部变量需求。