基于 Keil MDK 移植 RT-Thread Nano

STM32

基于 Keil MDK 移植 RT-Thread Nano

本文介绍如何基于 Keil MDK 移植 RT-Thread Nano ，并以一个 STM32f103 的基础工程作为示例进行讲解。
RT-Thread Nano 已集成在 Keil MDK 中，可以直接在 IDE 中进行下载添加。本文档介绍了如何使用 MDK 移植 RT-Thread Nano，并以一个 stm32f103 的基础工程作为示例进行讲解。
移植 Nano 的主要步骤：

准备一个基础的 keil MDK 工程，并获取 RT-Thread Nano pack 安装包并进行安装。
在基础工程中添加 RT-Thread Nano 源码。
适配 Nano，主要从中断、时钟、内存这几个方面进行适配，实现移植。
验证移植结果：编写第一个应用代码，基于 RT-Thread Nano 闪烁 LED。
最后可对 Nano 进行配置：Nano 是可裁剪的，通过配置文件 rtconfig.h 实现对系统的裁剪。

准备工作

准备一份基础的裸机源码工程，如一份 stm32 的 LED 指示灯闪烁示例代码。
在 KEIL 上安装 RT-Thread Nano Pack。

基础工程准备

在移植 RT-Thread Nano 之前，我们需要准备一个能正常运行的裸机工程。作为示例，本文使用的是基于 STM32F103 的一个 LED 闪烁程序。程序的主要截图如下：

在我们的例程中主要做了系统初始化与 LED 闪烁功能，编译下载程序后，就可以看到 LED 闪烁了。读者可以根据自己的需要使用的芯片，准备一个类似的裸机工程。
Nano Pack 安装

Nano Pack 可以通过在 Keil MDK IDE 内进行安装，也可以手动安装。下面开始介绍两种安装方式。
方法一：在 IDE 内安装

打开 MDK 软件，点击工具栏的 Pack Installer 图标：

点击右侧的 Pack，展开 Generic，可以找到 RealThread::RT-Thread，点击 Action 栏对应的 Install ，就可以在线安装 Nano Pack 了。另外，如果需要安装其他版本，则需要展开 RealThread::RT-Thread，进行选择。

方法二：手动安装

我们也可以从官网下载安装文件，RT-Thread Nano 离线安装包下载，下载结束后双击文件进行安装：

添加 RT-Thread Nano 到工程

打开已经准备好的可以运行的裸机程序，将 RT-Thread 添加到工程。如下图，点击 Manage Run-Time Environment。

在 Manage Rum-Time Environment 里 "Software Component" 栏找到 RTOS，Variant 栏选择 RT-Thread，然后勾选 kernel，点击 "OK" 就添加 RT-Thread 内核到工程了。

现在可以在 Project 看到 RT-Thread RTOS 已经添加进来了，展开 RTOS，可以看到添加到工程的文件：

Cortex-M 芯片内核移植代码：
context_rvds.s cpuport.c Kernel 文件包括：
clock.c components.c device.c idle.c ipc.c irq.c kservice.c mem.c object.c scheduler.c thread.c timer.c 配置文件：
board.c rtconfig.h 适配 RT-Thread Nano

中断与异常处理

RT-Thread 会接管异常处理函数 HardFault_Handler() 和悬挂处理函数 PendSV_Handler()，这两个函数已由 RT-Thread 实现，所以需要删除工程里中断服务例程文件中的这两个函数，避免在编译时产生重复定义。如果此时对工程进行编译，没有出现函数重复定义的错误，则不用做修改。
系统时钟配置

需要在 board.c 中实现系统时钟配置（为 MCU、外设提供工作时钟）与 os tick 的配置（为操作系统提供心跳 / 节拍）。
如下代码所示， HAL_Init() 初始化 HAL 库， SystemClock_Config()配置了系统时钟， SystemCoreClockUpdate() 对系统时钟进行更新，_SysTick_Config() 配置了 OS Tick。此处 OS Tick 使用滴答定时器 systick 实现，需要用户在 board.c 中实现 SysTick_Handler() 中断服务例程，调用 RT-Thread 提供的 rt_tick_increase() ，如下图所示。
/* board.c */ void rt_hw_board_init() { HAL_Init(); SystemClock_Config(); /* 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 }
由于 SysTick_Handler() 中断服务例程由用户在 board.c 中重新实现，做了系统 OS Tick，所以还需要删除工程里中原本已经实现的 SysTick_Handler() ，避免在编译时产生重复定义。如果此时对工程进行编译，没有出现函数重复定义的错误，则不用做修改。
内存堆初始化

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 默认不开启内存堆功能，这样可以保持一个较小的体积，不用为内存堆开辟空间。
开启系统 heap 将可以使用动态内存功能，如使用 rt_malloc、rt_free 以及各种系统动态创建对象的 API。若需要使用系统内存堆功能，则打开 RT_USING_HEAP 宏定义即可，此时内存堆初始化函数 rt_system_heap_init() 将被调用，如下所示：

初始化内存堆需要堆的起始地址与结束地址这两个参数，系统中默认使用数组作为 heap，并获取了 heap 的起始地址与结束地址，该数组大小可手动更改，如下所示：

注意：开启 heap 动态内存功能后，heap 默认值较小，在使用的时候需要改大，否则可能会有申请内存失败或者创建线程失败的情况，修改方法有以下两种：

可以直接修改数组中定义的 RT_HEAP_SIZE 的大小，至少大于各个动态申请内存大小之和，但要小于芯片 RAM 总大小。
也可以参考《RT-Thread Nano 移植原理》——实现动态内存堆章节进行修改，使用 RAM ZI 段结尾处作为 HEAP 的起始地址，使用 RAM 的结尾地址作为 HEAP 的结尾地址，这是 heap 能设置的最大值的方法。

编写第一个应用

移植好 RT-Thread Nano 之后，则可以开始编写第一个应用代码验证移植结果。此时 main() 函数就转变成 RT-Thread 操作系统的一个线程，现在可以在 main() 函数中实现第一个应用：板载 LED 指示灯闪烁，这里直接基于裸机 LED 指示灯进行修改。

首先在文件首部增加 RT-Thread 的相关头文件。
在 main() 函数中（也就是在 main 线程中）实现 LED 闪烁代码：初始化 LED 引脚、在循环中点亮 / 熄灭 LED。
将延时函数替换为 RT-Thread 提供的延时函数 rt_thread_mdelay()。该函数会引起系统调度，切换到其他线程运行，体现了线程实时性的特点。

编译程序之后下载到芯片就可以看到基于 RT-Thread 的程序运行起来了，LED 正常闪烁。

注意事项：当添加 RT-Thread 之后，裸机中的 main() 函数会自动变成 RT-Thread 系统中 main 线程的入口函数。由于线程不能一直独占 CPU，所以此时在 main() 中使用 while(1) 时，需要有让出 CPU 的动作，比如使用 rt_thread_mdelay() 系列的函数让出 CPU。

与裸机 LED 闪烁应用代码的不同：
1). 延时函数不同： RT-Thread 提供的 rt_thread_mdelay() 函数可以引起操作系统进行调度，当调用该函数进行延时时，本线程将不占用 CPU，调度器切换到系统的其他线程开始运行。而裸机的 delay 函数是一直占用 CPU 运行的。
2). 初始化系统时钟的位置不同：移植好 RT-Thread Nano 之后，不需要再在 main() 中做相应的系统配置（如 hal 初始化、时钟初始化等），这是因为 RT-Thread 在系统启动时，已经做好了系统时钟初始化等的配置，这在上一小节 “系统时钟配置” 中有讲解。
配置 RT-Thread Nano

用户可以根据自己的需要通过修改 rtconfig.h 文件里面的宏定义配置相应功能。
RT-Thread Nano 默认未开启宏 RT_USING_HEAP，故只支持静态方式创建任务及信号量。若要通过动态方式创建对象则需要在 rtconfig.h 文件里开启 RT_USING_HEAP 宏定义。
MDK 的配置向导 configuration Wizard 可以很方便的对工程进行配置，Value 一栏可以选中对应功能及修改相关值，等同于直接修改配置文件 rtconfig.h。更多细节配置详见《 RT-Thread Nano 配置》。

获取示例代码

Keil MDK 中集成的 RT-Thread Nano 软件包附带示例代码，如果需要参照示例代码，则可以在 Keil 中打开相应的示例代码工程。
首先点击 Pack Installer，进入下图所示界面：

右侧界面切换到 Examples，然后在左侧界面搜索 Device 或者 Boards，点击搜索出的芯片或者开发板，会显示与其相关的所有示例代码，同时可以看到 RT-Thread 的示例代码也在其中，点击 Copy，选择一个路径，然后点击 OK 即可打开示例代码工程。
常见问题

Q: 如何升级 pack?

A: Pack 升级步骤基本如同软件包，展开 RealThread::RT-Thread 后，选择比较新的 Nano 版本，点击 Install 进行安装。如下图所示，点击红色框中的 Install 进行升级，即可将 3.1.2 版本升级到 3.1.3。

需要注意的是，若多个版本同时安装，则最终向工程添加 Nano 时，只能选择高版本进行添加。

Q: 在安装 pack 后，未找到可选的 RT-Thread pack。

A: 点击下图中的下拉小三角即可找到 RT-Thread，选择 RT-Thread 即可。

Q: 在添加 Nano 时，选择 shell 后，编译报错。

A: 报错 "Undefined symbol rt_hw_console_getchar (referrred from shell.o)"。这是由于添加 FinSH 组件源码之后，还需要自行定义与实现该函数才能完成 FinSH 的移植，详见《在 RT-Thread Nano 上添加控制台与 FinSH》。
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