STM32 HAL + FreeRTOS 实战：基于 GNU/Linux 工具链

从裸机外设到实时操作系统——一份 STM32F103 全栈嵌入式实战记录。

这个仓库和大多数 STM32 教程的区别

	大多数教程	这个仓库
开发环境	Windows + Keil MDK（一键下载）	Linux + VS Code + CMake + arm-gcc
构建系统	IDE 自动管理，不透明	CMake + Ninja，完全可控
烧录调试	Keil 内置	OpenOCD + ST-Link，Python 脚本驱动
版本管理	通常没有	226+ commits，每个外设/RTOS 特性独立提交
可复现性	依赖特定 IDE 版本	任何装了 arm-gcc + OpenOCD 的 Linux 机器都能构建
编辑体验	Keil 编辑器	VS Code + clangd（语法高亮、自动补全、跳转定义）

核心价值：这个仓库证明了你理解编译-链接-烧录的全流程，而不是只会点 Keil 的下载按钮。当你换到 RISC-V、换到其他 ARM 芯片、换到 Zephyr RTOS——工具链思想完全复用。

已覆盖的内容（32 个示例）

第一部分：HAL 裸机外设（24 个示例）

1. 时钟系统

目录	内容
1-1_InitSystemClock	系统时钟初始化，HSE/PLL 配置到 72MHz

2. GPIO 与中断

目录	内容
2-1_Key_Ctr_LED_Poll	按键控制 LED（轮询方式）
2-2_Key_Ctr_LED_Int	按键控制 LED（外部中断方式）

3. UART 串口通信

目录	内容
3-1_Uart_RTx_Poll	串口收发（轮询）
3-2_Uart_RTx_IT	串口收发（中断）
3-3_Uart_RTx_DMA	串口收发（DMA）
3-4_Uart_RTx_Printf	printf 重定向到串口

4. 定时器（最完整的系列，12 个示例）

目录	内容
4-1_Tim_Poll	基本定时（轮询）
4-2_Tim_IT	基本定时（中断）
4-3_Tim_DMA	基本定时（DMA）
4-4_Tim_OutMode	定时器输出模式
4-5_Tim_OutMode_IT_DMA	输出模式 + 中断/DMA
4-6_Tim_IC	输入捕获（测量脉宽/频率）
4-7_Tim_OC	输出比较
4-8_Tim_OC_PWM	PWM 输出（电机/舵机控制基础）
4-9_Tim_OC_single_pulse	单脉冲模式
4-10_Tim_OC_Encoder	编码器模式（电机测速）
4-11_Tim_IC_ETR	外部触发输入
4-12_Tim_IC_PWM	PWM 输入捕获（同时测量频率和占空比）

5. 模拟与通信外设

目录	内容
5-1_ADC	ADC 模数转换（单通道/多通道）
6-1_I2C	I2C 通信（读写 EEPROM / 传感器）
7-1_SPI	SPI 通信（读写 Flash / 显示屏）
8-1_RTC	实时时钟（后备电池域）

第二部分：FreeRTOS 实时操作系统（8 个示例 + 模板）

目录	内容
9-1_FreeRTOS	FreeRTOS 入门——任务创建与调度
9-2_FreeRTOS	更健壮的 FreeRTOS 版本——多任务结构与工程组织
9-3_FreeRTOS_MenageInterupt	中断管理——FreeRTOS 下的中断处理与临界区保护
9-4_FreeRTOS_Semphore	信号量——二值信号量、计数型信号量、互斥信号量、优先级翻转现象
9-5_FreeRTOS_QueueSet	队列集——同时等待多个队列和信号量
9-6_FreeRTOS_EventFlagGroup	事件标志组——多事件同步与广播
9-7_FreeRTOS_Questnotice	任务通知——模拟二值信号量、计数型信号量、消息邮箱、事件标志组
9-8_FreeRTOS_Software_Time	软件定时器——单次和周期定时
FreeRTOS_template	FreeRTOS 项目模板，快速创建新工程

工具链

编辑器:    VS Code + clangd（代码补全/跳转/诊断）
编译器:    arm-none-eabi-gcc（GNU Arm Embedded Toolchain）
构建:      CMake 3.22+ + Ninja
调试:      OpenOCD + ST-Link V2 + arm-none-eabi-gdb
烧录:      Python 脚本驱动 OpenOCD（一键 Flash）
RTOS:      FreeRTOS Kernel（CMSIS-RTOS v1 / v2 API）

快速开始

前置条件

# Ubuntu/Debian
sudo apt install cmake ninja-build gcc-arm-none-eabi openocd python3

# Arch
sudo pacman -S cmake ninja arm-none-eabi-gcc openocd python3

构建 & 烧录

# 进入任意示例目录
cd 4-8_Tim_OC_PWM

# 配置（Debug 模式）
cmake --preset Debug

# 构建
cmake --build build/Debug -j$(nproc)

# 烧录（需要连接 ST-Link）
cmake --build build/Debug --target flash

或者使用 VS Code 快捷键：Ctrl+Shift+B → 选择 Build / Flash / Build & Flash。

从模板创建新项目

# HAL 裸机项目
cp -r stm32_linux_template my_new_project

# FreeRTOS 项目
cp -r FreeRTOS_template my_freertos_project

# 修改 CMakeLists.txt 中的项目名，在 Core/ 下添加你的代码

目标芯片

• MCU: STM32F103C8T6（Blue Pill / 最小系统板）
• 调试器: ST-Link V2
• 移植到其他 STM32F1 芯片：修改 CMakeLists.txt 中的 STM32F103XB_FLASH.ld 链接脚本和启动文件即可

仓库结构

HAL 裸机示例/
├── .vscode/              # VS Code tasks（Build / Flash / Debug）
├── .scripts/             # Python 构建和烧录脚本
├── cmake/                # 工具链文件（gcc-arm-none-eabi.cmake）+ STM32 CMake 模块
├── Core/
│   ├── Inc/              # 用户头文件（main.h 等）
│   └── Src/              # 用户源码（main.c + 外设初始化）
├── Drivers/              # STM32 HAL 库（CMSIS + HAL）
├── CMakeLists.txt        # 顶层构建配置
├── CMakePresets.json     # Debug / Release 预设
└── startup_stm32f103xb.s # 启动代码（GNU 汇编风格）

FreeRTOS 示例/（在 HAL 基础上增加）
├── Core/
│   ├── User/             # main.c —— 用户任务入口
│   ├── Sys/              # FreeRTOSConfig.h + 系统时钟配置
│   └── Hw/               # 硬件驱动（LED、Key、UART、Timer 等）
├── FreeRTOS/             # FreeRTOS Kernel 源码
└── Middlewares/          # CMSIS-RTOS 适配层

为什么用 GNU 工具链而不是 Keil？

1. 免费开源——没有授权费，在任何机器上都能搭建
2. 理解底层——从编译、链接到烧录，每一步你都看得见。面试时被问到"程序是怎么从 C 代码变成 MCU 上运行的二进制"，你能讲清楚
3. 跨架构复用——这套 CMake + GCC 工作流切换到 RISC-V、ESP32、Zephyr RTOS 几乎零成本
4. CI/CD 就绪——命令行构建天然适合自动化测试和持续集成
5. 简历信号——"会用 GNU 工具链独立搭建 STM32 开发环境，从裸机 HAL 一路做到 FreeRTOS"比"会用 Keil"有说服力得多

学习路径回顾

时钟 → GPIO → UART（轮询/中断/DMA）
                    ↓
         定时器 12 连击（从基本定时到编码器模式）
                    ↓
         ADC / I2C / SPI / RTC 通信外设
                    ↓
         FreeRTOS：任务调度 → 中断管理 → 信号量
              → 队列集 → 事件标志组 → 任务通知 → 软件定时器

后续学习方向

• FreeRTOS 多任务项目——在已有外设基础上引入实时操作系统 ✅
• 完整系统项目——多传感器数据采集 + RTOS 多任务 + 显示 + 通信
• RISC-V 跨架构验证——用同一套 CMake + GCC 工具链在 ESP32-C3 上跑通
• Zephyr RTOS——从 FreeRTOS 切换到 Zephyr，体验现代 RTOS 的设备树 + 驱动模型

License

MIT

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