STM32中的FreeRTOS-#1（入门）

只看该作者 · 2022-12-31 22:25

写在前面：我一直觉得，如果我能把一点知识说给别人听，并且别人能听懂，大概率我自己真的学会了。记录的过程也是自己梳理的过程，本系列我把它称为“教程”，是想把它写得系统且有条理，本质上更多地是作为自己的学习心得和知识梳理。
本教程默认读者已有一定的STM32编程基础，并且已经熟悉CubeMX的使用，部分操作细节仅做文字提示或略过。

本教程开发环境如下：

软件：MDK Keil，CubeMX（V6.1.2），VSCode（仅作为代码编辑器）
硬件：STM32F4VET6开发板（其他开发板也可以，原理相同）
RTOS（Real Time Operating System，实时操作系统），顾名思义，能够像操作系统（例如Windows）一样处理任务。操作系统的主要目的是“同时”处理多任务，这在传统的“main-while(1){…}”编程中是不能实现的。

本教程是一系列教程中的第一篇，主要包括以下内容：

（1）使用CubeMX配置Free RTOS；

（2）使用Free RTOS的优势；

（3）用“使用CubeMX”或“不使用CubeMX”两种方式，创建任务；

（4）使用任务优先级解决一些常见问题。

现在开始配置CubeMX：

只看该作者 · 2022-12-31 22:26

配置CubeMX

选择目标芯片型号后，CubeMX将为您打开默认页面。现在选择FREERTOS并按照下面的截图操作

只看该作者 · 2022-12-31 22:27

这里我们选择CMSIS_V1，因为大多数的STM32芯片型号都支持这个版本。

只看该作者 · 2022-12-31 22:28

接下来，转到任务和队列选项卡（tasks and queues），在这里您将看到软件已经自动创建了一个默认任务。双击默认任务，可以看到以下信息：

只看该作者 · 2022-12-31 22:28

可以看到，一个任务包含很多设置项，但是不要被吓倒。这节教程，我们只关注TaskName(任务名称)、priority(优先级)和Entry Function(入口函数)。

只看该作者 · 2022-12-31 22:29

现在，我们将在这里创建一个任务，下面是该任务的属性

只看该作者 · 2022-12-31 22:32

任务名称默认即可，设置为普通优先级，入口函数也保持默认。一旦我们编写了程序，你就会对这些设置有更深刻的理解。

只看该作者 · 2022-12-31 22:33

注意：**一旦使用实时操作系统，我们不能使用systick作为HAL库代码的时间基（因为被操作系统占用了）。因此，转到SYS，并选择如下所示的TIM1作为时间基准

只看该作者 · 2022-12-31 22:34

只看该作者 · 2022-12-31 22:34

除此之外，我使用UART-1来传输数据，并将PA6和PA7作为推挽输出引脚（这两个引脚是教程演示开发板板载LED-0和LED-1所在引脚，请根据自己的开发板LED所在引脚设置）。代码生成后，打开main.c文件，现在是时候了解使用RTOS的重要性了。

只看该作者 · 2022-12-31 22:35

使用RTOS的优势

一般学习单片机编程的第一个例子就是控制LED闪烁。现在假设有这样一个场景，LED-0闪烁周期是100ms，LED-1闪烁周期是300ms，这个编程可以在While循环里面做，并且比较容易，因为两个周期是整数倍关系。但是假如我们的需求更改为：LED-0闪烁周期是100ms，LED-1一般状态熄灭，当有按键按下时，LED1亮，延时5秒后LED1熄灭。在此期间，串口每隔1秒输出当前LED-1的亮/灭状态。这时候，情形就变得复杂起来。想完美完成需求，还是得花费点时间和精力安排代码。为了使CPU资源调度更简单，我们有必要学习使用实时操作系统。

只看该作者 · 2022-12-31 22:36

在本节教程中，我们先不涉及上述“复杂”的需求。通过上面的步骤，我们已经创建了两个任务，下面我们以defaultTask为例，看一下CubeMX是如何定义一个任务的。

只看该作者 · 2022-12-31 22:36

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// 引用头文件

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/

#include "FreeRTOS.h"

#include "task.h"

#include "main.h"

#include "cmsis_os.h"



// 定义任务句柄

osThreadId defaultTaskHandle;



// 任务函数的原型

void StartdefaultTask(void const * argument);



// FREERTOS初始化函数

void MX_FREERTOS_Init(void)

{

  /*......其他代码......*/

    

  // 创建任务

  /* Create the thread(s) */

  /* definition and creation of defaultTask */

  osThreadDef(defaultTask, StartdefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);

  defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);



  /*......其他代码......*/

}



/* USER CODE END Header_StartdefaultTask */

void StartdefaultTask(void const * argument)

{

  /* USER CODE BEGIN StartdefaultTask */

  /* Infinite loop */

  for(;;)

  {

    osDelay(1);

  }

  /* USER CODE END StartdefaultTask */

}

只看该作者 · 2022-12-31 22:39

可见，定义一个任务需要完成以下几件事

引入头文件
定义任务句柄
定义任务函数，与其它函数一样，使用前得在文件前面写上函数原型
在FreeRTOS初始化函数中，把任务句柄和任务函数绑定起来，以后利用任务句柄即可操作任务

只看该作者 · 2022-12-31 22:39

在任务函数里面添加控制LED闪烁的代码，为了测试任务调度性能，我们把闪烁周期定为1ms

只看该作者 · 2022-12-31 22:40

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void StartdefaultTask(void const * argument)

{

  /* USER CODE BEGIN 5 */

  /* Infinite loop */

  for(;;)

  {

      HAL_GPIO_TogglePin(BSP_LED0_GPIO_Port,BSP_LED0_Pin);

      osDelay(1);

  }

  /* USER CODE END 5 */ 

}



/* USER CODE BEGIN Header_Task2_init */

/**

* [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Function implementing the Task2 thread.

* @param argument: Not used

* @retval None

*/

/* USER CODE END Header_Task2_init */

void StartTask02(void const * argument)

{

  /* USER CODE BEGIN Task2_init */

  /* Infinite loop */

  for(;;)

  {

          HAL_GPIO_TogglePin(BSP_LED1_GPIO_Port,BSP_LED1_Pin);

          osDelay(1);

  }

  /* USER CODE END Task2_init */

}

只看该作者 · 2022-12-31 22:41

我们将在defaultTask中翻转引脚LED-0(PA6)的电平，并在Task2中翻转引脚LED-1(PA7)的电平。这样，RTOS调度器将为这两个任务调度时间，以便它们有足够的时间执行。当上述代码被执行时，波器波形如下图所示（黄色-PA6，绿色PA7）

只看该作者 · 2022-12-31 22:42

只看该作者 · 2022-12-31 22:43

可以看出，两个LED的引脚几乎同时翻转，但是放大以后可以看出，上升沿还是有大约25微秒的时间差，这是因为在宏观上指令的执行是同时的，但在微观上，或者说在指令执行时间尺度上，单片机仍然是在一条一条地执行指令。系统任务调动也会消耗一定的时间，所以绝对的同时是不可能的，所以我在文章开头介绍RTOS的时候，给“同时”加了引号。

只看该作者 · 2022-12-31 22:44

手动创建一个任务

**提示：**以下操作都在“freertos.c”文件中进行，代码的书写位置请参照CubeMX给出的代码，然后在相应代码附近的用户自定义代码区域书写，否则自己编写的代码可能会在软件再次生成代码时被清除。