代码收藏家 STM32-FreeRTOS快速学习
1、FreeRTOS定义
FreeRTOS 满足实施系统对任务响应时间的要求。
实时操作系统、轻量级（内核小，只需要几KB的ROM和RAM）、
提供了一些内核功能，如任务管理、时间管理、内存管理和通信机制等。
2、和裸机的区别
裸机：无操作系统，直接操作系统，缺乏任务调度难以管理多任务。只能顺序执行任务
多任务管理：可以创建多个任务，通过时间片轮转算法进行任务切换。
任务管理
# 裸机
void music()
void movie()
void main(){
while(1){
music();
movie();
}
}
# freeRTOS通过时间片轮转算法不断切换任务，实现了音画基本同步，提高了用户体验
void task1(){
music();
}
void task2(){
movie();
}
void main(){
while(1){
task1();
taks2();
}
}
提供内存管理、任务间通信机制
3、利用CUBMX快速配置FreeRTOS
源码结构/数据类型/命名规则总结
freeRTOS需要使用systick滴答时钟作为系统提供时基，因此需要更换stm32内核的时基为其他定时器
生成多出的代码
osThreadDef 为FreeRTOS用于定于任务的宏
osThreadDef(name, thread, priority, instances, stacksz)
name为任务的名称，thread为任务的处理函数(函数指针，传入函数名即可)，priority为任务的优先级，instances为任务的实例数，stacksz为任务的堆大小 栈
osThreadCreate用于创建任务的函数
osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
thread_def为任务定义的指针，argument为传递给任务处理函数的参数
CUBMEX创建了一个默认的任务
在FreeRTOS.init中创建了任务
/* Create the thread(s) */
/* definition and creation of defaultTask */
osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);
defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);
也创建了对应的任务处理函数
/* USER CODE BEGIN Header_StartDefaultTask */
/**
* @brief Function implementing the defaultTask thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_StartDefaultTask */
void StartDefaultTask(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartDefaultTask */
/* Infinite loop */
for(;;)
{
osDelay(1);
}
/* USER CODE END StartDefaultTask */
}
# 上面defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL)中
# 传递参数为NULL，所以这里StartDefaultTask()里的argument也为NULL
4、手动创建第一个自己的任务
仿照CUBMEX创建的默认任务，在main.c中创建自己的任务,实现每 500ms led闪烁一次
osThreadId myTaskHandle 创建任务句柄
void myTask1(void const * argument){for(;;) {}} 任务功能函数
#define osThreadDef(name, thread, priority, instances, stacksz)
name：任务的名称；
thread：任务的函数名称；
priority：任务的优先级，与任务调度有关；
instances：能够被实例化的最大数量，好像没啥作用；
stacksz：线程函数的堆栈大小要求(以字节为单位)，也就是每个线程分配了固定大小的栈空间，这个大小与线程局部变量和调用深度有关（如果调用其他函数则需要将CPU中的LS寄存器压入栈中）。
osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
thread_def：定义的线程(任务)；
argument：为开始参数传递给线程函数的指针。
实例
osThreadDef(myTask, myTask1, osPriorityNormal, 0, 128);
myTaskHandle = osThreadCreate(osThread(myTask), NULL);
#导入头文件
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
osThreadId myTaskHandle;//任务句柄ID
void myTask1(void const * argument)
{
for(;;)//相当于main函数中的while
{
HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
osDelay(500);//每 500ms LED闪烁一次
}
}
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
osThreadDef(myTask, myTask1, osPriorityNormal, 0, 128);
myTaskHandle = osThreadCreate(osThread(myTask), NULL);
5、堆、栈、FreeRTOS里的任务栈
堆：操作系统里非常大的一块内存，比如malloc函数就是申请堆里的一块区域使用，不过不free释放，那么申请一块就少一块。
栈：存储局部变量和函数调用消息的数据结构。栈的大小在程序编译时确定，通常较小。
void func(){
}
int main(void){
int a=0;
int b=0;
func();
return 0;
}
执行完func()函数如何跳回主函数，这就使用到了栈。
下图中LR为Link Register，SP是堆栈指针，用来指示当前要出栈或入栈的数据，保存数据时SP总指向最后一个压入堆栈的数据所在的数据单元——栈顶，栈的数据是先入后出。
堆的分配是动态的，由人决定；堆的分配是静态的，由编译器自动控制，编译时确定，运行时无法改变。
堆的分配效率低，需要运行时动态分配和释放。栈的分配效率高，由编译器编译时确定分配大小。
FreeRTOS里的任务栈：创建每一个任务都分配了一块栈空间，任务栈的大小在创建任务时指定，任务栈无需我们管理。
6、FreeRTOSCongfig.h(FreeRTOS的大总管)
该文件主要包含了各种宏定义，有功能宏、API宏…，可以对FreeRTOS灵活配置。详细可参考各种宏的说明
包含任务调度器、内存管理、时间管理、中断处理等方面的配置。
一部分如下图
常用比较重要的6个宏：
configUSE_PREEMPTION定义任务调度器的抢占式调度或者协同式调度。
为 1 时 RTOS 使用抢占式调度器，即当进程位于内核空间时，有一个更高优先级的任务出现时，如果当前内核允许抢占，则可以将当前任务挂起，执行优先级更高的进程；为 0 时 RTOS 使用协作式调度器（时间片）高优先级的进程不能中止正在内核中运行的低优先级的进程而抢占 CPU 运行。
configUSE_IDLE_HOOK 定义是否使用空闲任务钩子函数。
configUSE_TICK_HOOK 定义是否使用系统滴答钩子函数。c
configTICK_RATE_HZ 定义是否使用系统滴答频率。
configCPU_CLOCK_HZ 定义系统时钟频率。
configMAX_PRIORITIES 定义系统支持的最大任务优先级。
7、任务调度算法
多个任务的执行顺序、时间如何确定。
实时系统的调度需求：响应时间要要求、任务优先级、资源利用率。
FreeRTOS的任务调度算法分为抢占式调度算法(优先级抢占式调度算法、时间片轮转调度算法)、非抢占式调度算法(优先级调度算法、先来先服务调度算法)。
优先级抢占式调度算法：任务优先级越高执行的机会越大，相同时执行时间片轮转调度算法。 满足实时操作系统的响应要求、有优先级管理，缺点是优先级低的任务可能被长时间阻塞。
时间片轮转调度算法：每个任务被分配一个时间片，时间片用完后任务被挂起，等待下一次调度。 公平分配CPU时间片、避免优先级低的任务被长时间阻塞。 缺点无法满足实时操作系统的响应要求。
FreeRTOS默认开启优先级抢占式调度算法、时间片轮转调度算法结合使用。
8、利用CUBMX创建任务
可以看到生成的代码和手动配置的代码一样
9、任务优先级实验
7个优先级，数字越小优先等级越低，可以在利用CUBMX创建任务时指定或者手动修改
/* definition and creation of defaultTask */
osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);
defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);
/* definition and creation of myTask02 */
osThreadDef(myTask02, StartTask02, osPriorityIdle, 0, 128);
myTask02Handle = osThreadCreate(osThread(myTask02), NULL);
/* definition and creation of myTask03 */
osThreadDef(myTask03, StartTask03, osPriorityHigh, 0, 128);
myTask03Handle = osThreadCreate(osThread(myTask03), NULL);
设置task3优先级高于task2，实验现象就是
Task3 Task2 Task3 Task2交替打印，Task3先，Task2后
10、时间片调度
概念：时间片调度是指将CPU的执行时间划分为固定长度的时间片，每个任务在一个时间片内执行一定的指令
原理：当多个具有相同优先级的任务处于就绪状态时，他们将通过时间片调度轮流执行。
默认情况下时间片调度和优先级调度是同时开启的。较高优先级的任务处于就绪状态时，它会优先执行，而不受时间片调度的限制。
实验：时间片调度/ 优先级调度
11、静态创建任务和动态创建任务
//c语言中
int a[10];//静态创建,执行完后自动释放
int* p=(int*)malloc(sizeof(int)*10);//动态创建
free(p);
静态创建任务不需要进行内存动态分配和释放操作，运行时性能开销更低，任务响应时间更低。缺点就是静态创建任务在编译时需要确定任务的数量和属性，这意味着任务的数量和属性在运行时不可变的。如果任务的资源需求在运行时发生变化，可能会导致资源浪费或不足。
动态创建任务在运行时创建任务，任务的内存空间在运行时动态分配。可以按实际需求分配内存避免浪费。缺点：动态创建任务涉及到内存动态分配和释放，需要额外的内存管理机制。这会增加系统的复杂性和开销，包括内存碎片问题的处理。
/* definition and creation of myTask02 */
//静态创建任务的task2多出来两个参数
//myTask02Buffer stack栈的大小
osThreadStaticDef(myTask02, StartTask02, osPriorityIdle, 0, 128, myTask02Buffer, &myTask02ControlBlock);
myTask02Handle = osThreadCreate(osThread(myTask02), NULL);
/* definition and creation of myTask03 */
osThreadDef(myTask03, StartTask03, osPriorityHigh, 0, 128);
myTask03Handle = osThreadCreate(osThread(myTask03), NULL);
12、任务的状态
不管哪个状态的任务，要想进入运行态，都得先进入就绪态。
假如有A B C 3个任务，都进入了就绪态，A先执行，进入运行态，运行一段时间切换为B，A进入就绪态；到A再次进入运行态时，A可以调用vTAskSuspend()主动休息，进入挂起态；或者A希望等待某些事情发生，于是进入阻塞态。
任务状态切换的基础：tick滴答中断，每次发生时判断是否要切换任务，FreeRTOS的时间基准是一个tick间隔，即每个任务执行的时间片。
不同任务的切换依靠了链表
空闲任务和钩子函数
任务通信和同步
FreeRTOS提供了多种任务通信和同步机制，如队列、信号量、互斥锁、事件组等
13、消息队列
任务之间的同步（同步就是任务之间做数据交互、通讯），任务和中断之间的同步都可以依靠消息队列，从而实现异步处理，FreeRTOS的队列采用FIFO（先进先出）缓冲区，具体如下图所示；
消息队列的读取/写入，消息队列里的数据一般是多写一读
读取：
任务读取数据时，设置堵塞超时时间内，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效。当其它任务或中断服务例程
往其等待的队列中写入了数据，该任务将自动由阻塞态转移为就绪态。
写入：如果队列被多个任务写入，那么将导致多个任务堵塞以等待队列有效，当队列有效的时候，这些任务中的优先级最高的任务优先进入就绪态。
FreeRTOS的消息队列函数封装在了queue.h中
以下为常用函数
//创建与删除队列
//这个函数可以创建一个队列，创建成功则会返回一个队列句柄
QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength,UBaseType_t uxItemSize);
void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue ); //传入待删除队列的句柄
//任务与任务之间同步
xQueueSendToFront //发送数据到队首
xQueueSendToBack //发送数据到队尾
xQueueSend //与xQueueSendToBack一样
xQueueOverwrite
//任务与中断之间同步
xQueueSendToFrontFromISR
xQueueSendToBackFromISR
xQueueOverwriteFromISR
xQueueSendFromISR
//接收
xQueueReceive //接收到的单元同时会从队列中删除。(出队)
xQueuePeek //接收数据，但接收到数据后，不会删除队列中的数据。
//
uxQueueSpacesAvailable //查询队列中可用的空闲空间数量
uxQueueMessagesWaiting //查询队列中当前有效数据单元个数
14、信号量
二值信号量是一种用于同步任务之间的机制。它有两种状态，可用和不可用，通常用于实现互斥访问共享资源。
xSemaphoreCreateBinary()：创建一个信号量，返回信号量句柄
xSemaphoreTake() ：占用信号量
xSemaphoreGive() ：释放信号量
// 创建一个初始状态为不可用的二值信号量
SemaphoreHandle_t sem = xSemaphoreCreateBinary();
xSemaphoreTake(sem, 0);
// 发送任务释放二值信号量
xSemaphoreGive(sem);
// 接收任务获取二值信号量
xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY);
注意：如果二值信号量不可用，调用 xSemaphoreTake() 函数的任务将被挂起，直到二值信号量变为可用状态。
15、计数信号量
计数信号量是一种用于同步任务之间的机制。它可以记录一个整数计数器的值，通常用于控制任务执行的次数
调用xSemaphoreGive() 计数信号量+1，xSemaphoreTake()计数信号量-1。
// 创建一个初始值为 0 的计数信号量
SemaphoreHandle_t sem = xSemaphoreCreateCounting(10, 0);
// 发送任务将计数信号量的值加 1
xSemaphoreGive(sem);
// 接收任务将计数信号量的值减 1
xSemaphoreTake(sem, portMAX_DELAY);
注意：如果计数信号量的值已经为 0，调用 xSemaphoreTake() 函数的任务将被挂起，直到计数信号量的值不为 0。
16、事件标志组
通过时间标志组来实现定时任务的调度。时间标志组是一种可以在指定时间后自动通知任务的机制，通知可以激活等待时间标志组的任务。
/* 创建一个周期为 1000ms 的时间标志组，时间标志组到期时调用 vTimerCallback 函数 */
TimerHandle_t xTimer = xTimerCreate("Timer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, NULL, vTimerCallback);
/* 启动时间标志组 */
xTimerStart(xTimer, 0);
/* 回调函数 */
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer)
{
/* 处理时间标志组到期事件 */
}
17、中断处理与任务管理的关系
作者：Geek之路
