FreeRTOS 简单内核实现1 前言

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0、写在前面

为深入理解 RTOS 内核工作机制，笔者制作了名为 “FreeRTOS 内核简单实现” 的项目专栏 ，目标为自己动手从 0 到 1 编程一个简单的 RTOS 内核，从而实现任务并行工作的效果，主要实现了以下功能

1. 静态创建任务
2. 临界段保护
3. 支持任务多优先级
4. 任务阻塞延时
5. 时间片轮询

注意：

1. 本项目不是仿真，而是基于 STM32F407 开发板从 0 到 1 编程实现的 RTOS 简单内核，目前只在 Cortex-M4 内核 MCU 上进行了验证，最终会使用 GPIO 输出作为各种效果的演示，支持 Keil 与 CLion 两种开发环境，两者项目流程几乎一致，只是在汇编程序与工程配置上存在区别，不同之处会在教程中做明确说明
2. 本项目实现的 RTOS 时间基准使用了 SysTick，但 STM32 HAL 库的时间基准也为 SysTick ，因此可能存在潜在的问题，如果出现问题可以按照 “6、补充 - 更换 RTOS 时基” 小节所述修改完成的 RTOS 内核

1、参考资料

1. FreeRTOS内核实现_忆昔z的博客-优快云博客
2. GitHub - aeneag/FreeRTOS_kernel: 深入理解FreeRTOS内核，从零开始实现内核
3. FreeRTOS内核实现与应用开发实战指南

2、准备工作

2.1、STM32 空工程

参考 STM32CubeMX教程1 工程建立 文章创建一个 STM32F407VGT6 空工程

参考 STM32CubeMX教程2 GPIO输出 - 点亮LED灯 文章初始化 4 个 LED 灯用于对本项目实现的 RTOS 内核验证

注意：空工程中 NVIC 选择 4 位抢占优先级，并应将 SysTick 和 PendSV 中断设置为最低优先级

2.2、创建 RTOS 文件目录

工程根目录下创建一个 RTOS 目录，目录结构如下

1. RTOS
   1. Inc
      1. FreeRTOS.h，用来包含 RTOS 所有的头文件
      2. FreeRTOSConfig.h，用来配置裁剪 RTOS 的功能
      3. list.h，双向链表数据结构头文件
      4. portMacro.h，用来统一 RTOS 中用到的类型和定义一些功能宏
      5. task.h，任务管理头文件
   2. Src
      1. list.c，双向链表数据结构源文件
      2. prot.c，用来定义与底层芯片架构有关的函数和中断服务函数
      3. task.c，任务管理源文件

如果使用 Keil 则需要将上面创建的文件添加到 Keil 工程中，并在设置中增加头文件路径，具体步骤如下图所示

如果使用的 CLion 需要在 CMakeLists_template.txt 模板文件中添加 RTOS 目录下的源文件目录和头文件目录，具体如下所示

// 增加头文件目录
include_directories(${includes} RTOS/Inc)
// 增加源文件目录
file(GLOB_RECURSE SOURCES ${sources} "RTOS/*.*")

FreeRTOS.h

#ifndef INC_FREERTOS_H
#define INC_FREERTOS_H

#include "FreeRTOSConfig.h"
#include "portMacro.h"
#include "list.h"
#include "task.h"
// 如果后续编程提示找不到 __DSB() 等汇编，可添加该 MCU 头文件
#include "stm32f4xx_hal.h"

#endif //INC_FREERTOS_H

FreeRTOSConfig.h、list.h、portMacro.h 和 task.h

// XXX 替换为对应头文件名称
#ifndef XXX_H
#define XXX_H

#include "FreeRTOS.h"

#endif //XXX_H

list.c、prot.c 和 task.c

/*list.c*/
#include "list.h"

/*prot.c*/
#include "FreeRTOS.h"

/*task.c*/
#include "task.h"

按照上述列出的文件添加内容，添加完成后编译整个工程应该不会有错误发生，之后将在各个文件中添加程序逐步实现 RTOS 简单内核

3、约定

整个专栏文章做如下约定

1. 代码段开头会添加该代码段中函数 / 定义所处的文件位置，如下所示代码段表示变量 xTickCount 应该在 task.c 文件中定义

/* task.c */
// 滴答定时器计数值
static volatile TickType_t xTickCount = (TickType_t)0U;

2. 请自行安排本专栏文章中各个代码段在工程文件中的位置

4、专栏目录

如下所示为 “FreeRTOS 简单内核实现” 专栏所有文章链接

1. FreeRTOS 简单内核实现1 前言
2. FreeRTOS 简单内核实现2 双向链表
3. FreeRTOS 简单内核实现3 任务管理
4. FreeRTOS 简单内核实现4 临界段
5. FreeRTOS 简单内核实现5 阻塞延时
6. FreeRTOS 简单内核实现6 优先级
7. FreeRTOS 简单内核实现7 阻塞链表
8. FreeRTOS 简单内核实现8 时间片轮询

5、项目仓库

项目 github 工程代码链接如下 FreeRTOS 简单内核实现，标 Star 防丢失！

6、补充 - 更换 RTOS 时基

首先，在 CubeMX 中设置任意 Timer 为 1ms 的周期定时器（你可以随意更改 RTOS 的心跳周期），具体可以参考 STM32CubeMX教程5 TIM 定时器概述及基本定时器 文章内容，笔者以 STM32F4 的 TIM6 为例子，注意在 NVIC 中勾选 TIM6 全局中断，抢占优先级为最低优先级 15

然后，修改 portMacro.h 中的 xPortSysTickHandler 宏定义

/* portMacro.h */
#define xPortSysTickHandler         HAL_TIM_PeriodElapsedCallback

其次，修改 port.c 中的 xPortSysTickHandler 函数

/* port.c */
// RTOS 时基中断处理
void xPortSysTickHandler(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim == &htim6)
	{
		// 关中断
		vPortRaiseBASEPRI();
		// 更新系统时基
		if(xTaskIncrementTick() != pdFALSE)
		{
			taskYIELD();
		}
		// 开中断
		vPortSetBASEPRI(0);
	}
}

最后，在 port.c 文件中启动调度器函数中 xPortStartScheduler() 启动 RTOS 的时基

/* port.c */
extern TIM_HandleTypeDef htim6;
// 启动调度器
BaseType_t xPortStartScheduler(void)
{
	// 设置 PendSV 和 SysTick 中断优先级为最低
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
	
	// 初始化 RTOS 时基
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);
	
	// 启动第一个任务，不再返回
	prvStartFirstTask();
	
	// 正常不会运行到这里
	return 0;
}