STM32-FreeRTOS移植与调试

使用STM32CubeMX生成FreeRTOS中间件并创建两个任务，一个任务循环闪灯，另一个任务循环打印串口消息。进阶使用XRTOS调试，监控FreeRTOS任务堆栈大小以及分析任务的CPU使用率。

1.初始化工程

1.1 新建工程

STM32CubeMX创建工程，系统时钟、时钟树配置和调试口自行配置。PC13设置输出，启用USART1(提前用USB转串口模块接入PA9和PA10)，工程名称为freertos_demo。有问题则参考之前的文章。

新建工程

1.2 配置FreeRTOS

展开Middleware and Software Packs选项卡
选择FreeRTOS，Interface选择CMSIS_V1，因为STM32F103C8T6就是M3内核的芯片，选择CMSIS_V1会更节省空间。

选择FreeRTOS配置

1.3 创建任务

选择Tasks and Queues标签，点击Add按钮
将Task Name修改为LedTask
和Entry Function均修改为led_task
点击OK按钮确认
同理再创建一个串口任务uart_task

创建闪灯任务

创建串口任务

1.4 编译导入

1.4.1 Keil编译

点击GENRATE CODE生成工程代码，点击Open Project,尝试用Keil编译，没有报错则可以将工程导入EIDE

生成工程代码

如果STM32CubeMX生成工程之后，KEIL没有编译，则EIDE尝试导入MDK工程时，可能会出现编译失败的情况，比如丢失RAM/ROM布局导致的编译失败

1.4.2 EIDE编译

打开VSCode，EIDE插件选择Import Project,选择刚刚创建的工程, 注意EIDE的工作区不要保存在与MDK同一目录下，虽然不影响EIDE编译调试，但是会导致VSCode工作区无法跟踪工程根目录的文件。EIDE工作区需要保存在工程根目录下

EIDE导入

EIDE编译烧录

2.编辑任务

2.1 闪灯任务

main.c文件中的MX_FREERTOS_Init();函数执行初始化任务，跳转进入该函数
往下滑找到led_task任务，跳转进入该任务
将原本任务里的for循环中的osDelay(1);修改为以下代码
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osDelay(500); HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);

闪灯任务

2.2 串口任务

根据STM32-串口USART的第八点重定向printf，成功配置串口重定向之后尝试在串口任务每隔500ms打印数据

串口任务

3.调试FreeRTOS

在启动任何调试之前都必须确保工程的优化等级为0，否则各种情况都有可能发生，比如：创建了断点，但是程序无法暂停在断点处；或者创建断点的时候断点发生偏移。注意，如果EIDE再次导入STM32CubeMX生成的MDK工程，则需要再次检查优化等级。

确保优化等级为0

F5尝试启动调试，如果可以正常启动调试则在程序运行后几秒后创建一个断点，点击底部栏的XRTOS面板，查看任务状态

XRTOS查看任务状态

XRTOS的面板必须在程序暂停后才能更新，观察XRTOS的任务状态列表，TaskName表示任务名称，黄色高亮的行代表当前断点暂停在哪个任务，任务优先级，程序地址等。但是其中有一些问题，比如Stack End、Stack Used以及RunTime等都是以问号显示。需要配置更多宏以及定时器资源才能正确监控任务状态。

3.1 启动任务监控

在FreeRTOSConfig.h文件中，增加宏configUSE_TRACE_FACILITY

/* USER CODE BEGIN Defines */
/* Section where parameter definitions can be added (for instance, to override default ones in FreeRTOS.h) */
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1
/* USER CODE END Defines */

编译后启动调试，应该就能看到插件给出的提示, 单击展开提示

监控提示

3.2 开启栈尾监控

在FreeRTOSConfig.h文件中，增加宏configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS，尽可能确保FreeRTOS的版本在V10.0.0以上

/* USER CODE BEGIN Defines */
/* Section where parameter definitions can be added (for instance, to override default ones in FreeRTOS.h) */
#define configUSE_TRACE_FACILITY                1
#define configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS         1
/* USER CODE END Defines */

编译后启动调试，等任务运行几秒后创建断点暂停程序，查看任务状态，应该可以看到栈尾状态，也就能查看完整的任务深度状态

任务深度

3.3 统计CPU使用率

CPU使用率，这里称为Runtime，用于统计每个任务的CPU使用率，能够直观地判断各个任务对CPU的占用情况。但是获取该Runtime属性需要消耗一个高速定时器。

根据监控提示，用于统计CPU使用率的高速定时器必须10倍与FreeRTOS的系统中断时间（默认是1ms）。因此定时器的中断时间至少在100us以内，等价于10kHZ频率。STM32的定时器TIM1能够符合要求。

Also, add the following two macros to provide a high speed counter – something at least 10x faster than your RTOS scheduler tick. One strategy could be to use a HW counter and sample its current value when needed

STM32CubeMX配置STM32的TIM1频率为1Mhz，溢出计数为100-1，实现弱函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback并在该函数里递增计数，并将该计数值设置为全局变量以供FreeRTOS调用，就能够实现统计CPU使用率的效果。

创建定时器TIM1

启用定时器中断

main.c中添加变量CPU_Runtime并初始化为0

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/* USER CODE BEGIN PV */
volatile uint32_t CPU_RunTime = 0;
/* USER CODE END PV */

main.c中启用定时器TIM1中断

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/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
/* USER CODE END 2 */

main.c中实现TIM1中断，累加CPU_RunTime

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim == &htim1)
    {
        CPU_RunTime++; // 更新计数值
    }
}
/* USER CODE END 4 */

FreeRTOSConfig.h中添加外部变量CPU_Runtime以及采样时间的宏, 完整FreeRTOS调试配置如下

/* USER CODE BEGIN Defines */
/* Section where parameter definitions can be added (for instance, to override default ones in FreeRTOS.h) */
#define configUSE_TRACE_FACILITY                 1
#define configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS          1
extern volatile uint32_t CPU_RunTime;
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS            1
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() (CPU_RunTime = 0ul)
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()          CPU_RunTime
/* USER CODE END Defines */