基于F407的硬件移植Free RTOS+FATFS（SDIO）

只看该作者 · 2023-7-6 17:49

本帖最后由 DVzhang 于 2023-7-6 17:49 编辑

#申请原创# @21小跑堂
因为最近的产品要用到SD卡，以太网所以计划尝试下上Free RTOS，为加快移植流程，采取CUBE MX直接生成工程的方式；
本文仅作为个人开发过程中的踩坑填坑笔记之用，记录个人的一些调试心得；
各路大佬根据个人情况，求同存异，若有不当之处请多多指教海涵，轻踩。
先上两个链接，这是关于Fatfs和FreeRTOS相关应用函数的说明，不清楚的函数可以在这里面查找：1.FATFS相关操作函数说明；
2.FreeRTOS相关操作函数说明
废话不多说，直接上工程创建的图，毕竟后面还有好多坑要说；
一、使用CUBE MX创建基础工程
1、CUBE MX基准时钟设置
因为FreeRTOS要占用系统的滴答定时器，所以单片机的定时器采用TIM2作为基准，不过看了原子哥的例程，没有区分，这里没有深入研究，就按照大众化的方式分开设置，如下图

2、时钟树配置
采用的时钟源是外部25M晶振设置，目前我这边的配置是主频96M，其他外设的频率在48M，没有设置的太高，够用就好；
这里不得不夸一下CUBE MX的一个优势，就是如果频率设置的不合理会报错，之前有遇到有人直接把别人的demo搬过来，导致时钟配置出问题，然后SWD引脚根本不能用，无法在烧录程序的情况；这个时候要么按照分频系数调整外部晶振大小，要么就采用调整BOOT+串口的方式擦除Flash，然后进行烧录；
时钟树配置如下图；

3、SD卡驱动配置
F407支持SDIO，所以硬件采用的是4总线SDIO的方式，相关配置如下图，但是此处生成的代码会有个问题出现，后面细说，先上图
当然为了调试方便，外设还使能了串口2，作为调试时printf的输出串口，此处不在上图；

4、FreeRTOS设置
勾选FreeRtos之后，大多数按照默认设置即可；但是有个参数的定义需要留意，就是堆空间大小设置，这里后面也需要做一定的调整，先看图，后面细说；

5、文件系统Fatfs设置
5.1勾选FATFS，在模式中选择SD卡模式，对应的参数设置，要做一定的调整，可以参考原子哥关于这方面的一些变量设置的解释说明；直接上图

5.2在FATFS下的SDIO设置中，由于使用了Free RTOS，所以只能选择DMA的方式进行数据处理，且DMA的中断等级要低于SDIO的中断等级，但是在中断系统中0-4的优先级被RTOS占用，所以相应的中断等级设置如下图

5.3生成的工程里会有一个SD插入探测脚，此处因为未添加对应IO所以未选，后面可以在程序中做修改

6、生成工程，因为我这边需要比较大的一个栈空间，所以在工程里调整了对应栈大小，各位大佬根据需要，按需调整，不过如果有问题的话，也可以在启动文件中直接修改；

二、掉坑之路
这里要说的是截止到目前为止所遇到的一些问题，有的地方也折腾了一些时间，先做个记录吧，大家求同存异哈！
在说问题之前，先介绍几个FATFS相关的.c文件，了解这几个文件的关系，有助于调试；
1）bsp_driver_sd.c：硬件层驱动文件，调用的是相关的HAL库函数，处理对应的硬件接口；
2）sd_diskio.c：中间层文件，将bsp下的驱动文件进行封装成和FATFS调用的API函数相匹配的接口文件；
3）diskio.c：FATFS系统功能函数直接调用的函数是sd_diskio.c下相应函数的上层映射；
举个例子，当我们挂载磁盘时，一次进入： f_mount ----->find_volume ----->disk_initialize ----->disk.drv[pdrv]->disk_initialize(disk.lun[pdrv]) ----->BSP_SD_Init；
其中第一个 “disk_initialize”是fatfs直接调用的，后面那个是封装有底层初始化的函数，他俩的对应关系是：被ST的库封装到一个结构体中，然后建立映射关系；

接下来说具体遇到的问题吧；
问题1：关于SD卡四总线的设置；
SD卡在刚上电寻卡获取卡参数等一系列的初始化过程中，是采用单总线模式（SDIO_BUS_WIDE_1B）且时钟频率不超过400K的模式下进行的；
ST的大神们也知道这个，所以在初始化的过程中是没有使用我们设置的参数的，如下图

获取到一部分参数之后，库开始用我们设置的参数，初始化对应驱动；这里本没有问题

但是问题在于初始化完成之后，要调用 HAL_SD_ConfigWideBusOperation 设置为4总线，在这个过程中要获取 SD卡 scr下的内容，此时采用4总线的方式获取不到数据，所以会导致最终的初始化失败！！！如下图

解决方法：所以我们要将初始化配置里的总线模式从 SDIO_BUS_WIDE_4B 改为 SDIO_BUS_WIDE_1B，然后后面在使用 HAL_SD_ConfigWideBusOperation 使能设置为4总线时就没有问题了；

问题2：也是比较重要的问题，使用 fatfs 往SD卡添加文件时，造成栈空间不足；
如下图，在free rtos中创建任务时需要确定以下几个参数：函数入口，函数名，栈空间，传参，优先级等参数；

而我在前期测试过程中喜欢使用 uxTaskGetStackHighWaterMark 函数查看任务所占的栈空间大小,，只要调用 f_open 创建文档时，返回的剩余栈空间为0，
如下图所示

然后我就理所当然的增加任务栈空间，一开始并不知道需要多大的栈空间，所以直接从 1K字长怼到 4K字长，然后问题来了，程序根本不会跳转到我这个程序，也就是说任务都没创建起来；经过调试发现，系统在创建任务时会调用 pvPortMalloc 从设置的堆中分配任务栈空间；然而上面我们创建任务时默认设置的 configTOTAL_HEAP_SIZE 为 15360=15K字节，然后我设置的是 4K字长=16K字节，所以创建失败；

解决方案：调整任务栈和创建工程时堆的大小

最后还有个插曲，就是最后我确认了需要的SD卡写需要的任务栈大小之后，就把堆给改小了，但是发现运行一段时间之后程序也会飞，后来排查发现因为我还移植了以太网的LWIP，然后剩余的堆空间，不够系统用了；最后还是把堆改大了。
当然整个过程还有很多其他问题，比如我先移植了 freertos 在移植 fatfs 的时候，没注意默认开启了DMA，所以SD这里挂载一直失败，然后调试发现读写时调用 HAL_SD_ReadBlocks_DMA（写也是一样）一直失败，一开始网上搜资料也有人说是因为 HAL_SD_TxCpltCallback 在中断中被弱定义了，需要补上之类，但是后来发现这一版的 hal 库已经补上了，而实际上是我没有使能 DMA功能造成的
反正大大小小问题不少，但是收获也不少！
致敬伟大的踩坑爬坑工程师们，哈哈哈