移植RT-Thread Nano到STM32F407ZGT6上运行

1. RT-Thread Nano简单介绍

RT-Thread Nano 是国内开源的一个实时内核库，RAM与ROM占用极小，而且该有的内核功能如：线程管理、线程同步与通信、时钟管理、中断管理、内存管理等功能一个不少。

下图是 RT-Thread Nano 的软件框架：

Finsh组件是 RT-Thread Nano 的控制台命令系统，可实现用户命令交互。

RT-Thread Nano 它与标准版本的区别就是它只留下实时内核相关的代码，去除了标准版的 device 框架和各种组件，还有不使用 Scons 构建系统，也没有了 Kconfing 已经 ENV 配置工具，所以代码会更简单。

2. 移植准备工作

• 获取 RT-Thread Nano 源码。可到点击下面这个网址下载。

  https://github.com/RT-Thread/rtthread-nano/archive/refs/heads/master.zip

• 准备可以正常运行的裸机工程源码。我使用的是 STM32F407ZGT6 芯片，裸机工程源码可以使用 CubeMX 生成。

3. 移植哪些文件

移植过程主要分为两个部分：libcpu 移植与板级移植。

实际上对于不同架构要移植的代码，RT-Thread 官方也已经帮我们把常见的CPU架构相关的代码写好了，我们到 libcpu 目录下找到对应自己芯片架构的代码即可。所以真正要我们移植提供的代码就只是板级硬件初始化相关的代码。

• libcpu 移植

  libcpu 向下提供了一套统一的 CPU 架构移植接口，是针对CPU架构（比如ARM，RISC-V）的移植。这部分接口包含了全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍的配置和中断函数、Cache 等等内容，RT-Thread 支持的 cpu 架构在源码的 libcpu 文件夹下。

• 板级移植

  板级移植主要是针对 rt_hw_board_init() 函数内容的实现，该函数在板级配置文件 board.c 中，函数中做了许多系统启动必要的工作，其中包含：

  1. 配置系统时钟。
  2. 实现 OS 节拍。（其中步骤 1 和 2 为 3.1.5 版本中 #error TODO 1 的部分：#error "TODO 1: OS Tick Configuration."）
  3. 初始化外设：如 GPIO/UART 等等，若需要请在此处调用。
  4. 初始化系统内存堆，实现动态堆内存管理。
  5. 板级自动初始化，使用 INIT_BOARD_EXPORT() 自动初始化的函数会在此处被初始化。
  6. 其他必要的初始化，如 MMU 配置（需要时请自行在 rt_hw_board_init 函数中调用应用函数实现）。

4. 动手移植

4.1 添加 Nano 源码到keil工程

1、把 RT-Thread Nano 下面目录的源码复制到我们准备好的裸机工程目录 rtthread_nano 下。

• Nano 源码中的 include、libcpu、src 文件夹。
• 配置文件：源码代码 rtthread/bsp 文件夹中的两个文件：board.c 与 rtconfig.h。
  

2、使用 keil 打开我们事先准备好的裸机工程，新建 rtthread_nano 分组，并在该分组下添加以下源码：

• 添加工程下 rtthread/src/ 文件夹中所有文件到工程；

• 添加工程下 rtthread/libcpu/ 文件夹中相应内核的 CPU 移植文件及上下文切换文件： cpuport.c 以及 context_rvds.S；

  注意：该目录下选择我们对应芯片架构的文件目录，比如我使用的是 STM32F407 ，那么就选择 Cortex-M4 架构里面的文件。

• 添加 rtthread/ 文件夹下的 board.c 。

  

4.2 添加头文件路径

因为源码目录只有两个目录（include和bsp目录）下有头文件，只添加这两个头文件路径即可。

4.3 解决编译报错

添加文件和头文件路径后，编译报如下错误：

STM32F407_FreeRTOS_Template\STM32F407_FreeRTOS_Template.axf: Error: L6200E: Symbol HardFault_Handler multiply defined (by context_rvds.o and stm32f4xx_it.o).
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报错说重复定义了。实际上 RT-Thread 接管异常处理函数 HardFault_Handler() 和悬挂处理函数 PendSV_Handler()，这两个函数已由 RT-Thread 实现，所以我们删除 stm32f4xx_it.c 文件定义的这两个中断函数（如果该文件没有定义这两个文件，则不用管）。

4.4 配置系统时钟和外设初始化

在 RT-Thread 启动的入口函数 rtthread_startup(void) 中，会调用一个初始化板级硬件的函数 rt_hw_board_init() ，这个函数就是需要我们在 board.c 中实现的板级初始化相关的代码。比如要完成系统的时钟配置，设备上要到的一些外设初始化等等，都要在这个函数里面实现。

我使用的是 CubeMX 生成的工程，已经生成了系统时钟的配置函数了，函数复制到 rt_hw_board_init() 调用即可，而且还用到了GPIOB和UART外设，所以初始化函数也一起放到这个函数里面调用。如下代码：

/**
 * This function will initial your board.
 */
void rt_hw_board_init()
{
	HAL_Init();						// HAL库初始化
	SystemClock_Config();			// 系统时钟配置
	MX_GPIO_Init();					// GPIO外设初始化
	MX_USART1_UART_Init();			// USART外设初始化
    /* System Clock Update */
    SystemCoreClockUpdate();
    
    /* System Tick Configuration */
    _SysTick_Config(SystemCoreClock / RT_TICK_PER_SECOND);

    /* Call components board initial (use INIT_BOARD_EXPORT()) */
#ifdef RT_USING_COMPONENTS_INIT
    rt_components_board_init();
#endif

#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
    rt_system_heap_init(rt_heap_begin_get(), rt_heap_end_get());
#endif
}
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另外，board.c 文件中已经实现了系统嘀嗒中断服务函数，为 RT-Thread 提供心跳。

void SysTick_Handler(void)
{
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter();

    rt_tick_increase();

    /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();
}
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如果编译报错重复定义了这个函数的话，需要删除原来实现的 SysTick_Handler 中断服务程序，保留RT-Thread Nano 提供的这个函数。

4.5 内存堆初始化配置

系统内存堆的初始化在 board.c 中的 rt_hw_board_init() 函数中完成，内存堆功能是否使用取决于宏 RT_USING_HEAP 是否开启，RT-Thread Nano 是默认不开启内存堆功能。

当开启了内存堆功能之后，就可以使用动态内存分配了，也可以动态创建线程等等。RT-Thread Nano 实现了一套动态内存分配接口函数，如 rt_malloc、rt_free 等。

我们要使用内存堆功能，只需要在 rtconfig.h 文件中定义这个 RT_USING_HEAP 宏即可，然后内存堆初始化函数就会在 rt_hw_board_init 中被调用。

内存堆的默认设置大小，使用的是一个数组给定的一个固定大小了的。如下代码：

#if defined(RT_USING_USER_MAIN) && defined(RT_USING_HEAP)
#define RT_HEAP_SIZE 1024
static uint32_t rt_heap[RT_HEAP_SIZE];     // heap default size: 4K(1024 * 4)
RT_WEAK void *rt_heap_begin_get(void)
{
    return rt_heap;
}

RT_WEAK void *rt_heap_end_get(void)
{
    return rt_heap + RT_HEAP_SIZE;
}
#endif
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上面代码实际上只是定义了1024字节大小的数组作为内存堆，但是我们可以通过散列文件或者链接脚本得知还剩下多少内存空间，可以作为内存堆使用。

获取内存堆最大可用RAM大小的方法：

实际上 ZI数据段 之后的所有内存空间，都可以作为内存堆使用，这样就这样设置最大的内存堆大小了。关于ZI数据段的结束地址，我们可以通过链接脚本来获取。对于 keil 来说，代码如下：

#define STM32_SRAM1_START              (0x20000000)						
#define STM32_SRAM1_END                (STM32_SRAM1_START + 20 * 1024)   // 结束地址 = 0x20000000（基址） + 20K(RAM大小)

#if defined(__CC_ARM) || defined(__CLANG_ARM)  // 编译器判断
// RW_IRAM1就是 keil 散列文件定义的RAM空间大小，ZI就是获取该数据段的结束地址。从ZI段之后的所有内存空间都可以作为内存堆使用
extern int Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit;                   				
#define HEAP_BEGIN      ((void *)&Image$$RW_IRAM1$$ZI$$Limit)			// 获取到 ZI 数据段的结束地址，作为内存堆的起始地址
#endif

#define HEAP_END                       STM32_SRAM1_END					// 内存堆结束地址就是芯片可以RAM空间的最大地址

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5. 移植验证

当 RT-Thread Nano 启动起来之后，会创建一个 main 线程的，我们在main函数中添加实验代码。如下：

int main(void)
{
    while (1)
    {
        rt_thread_mdelay(1000);
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE, GPIO_PIN_4);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, "hello world.\r\n", strlen("hello world.\r\n"), 10);
    }
}
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上面 main 函数里面没没有调用系统时钟配置，外设初始化等函数。这是因为在调用 main 函数之前，就先调用了 rt_hw_board_init() 函数，在这个函数里面配置了系统时钟、板级外设的初始化等工作了。而 main 函数现在其实是 RT-Thread Nano 创建的一个main线程函数了，它参与线程的调度过程。

上面代码就只是让LED闪烁，和向串口输出一行字符串功能。打开串口终端，可以看到打印出的字符串如下：

说明 RT-Thread Nano 正常运行起来了。