STM32 的实时操作系统入门

只看该作者 · 2024-12-9 17:09

在嵌入式系统中，使用实时操作系统来管理任务和资源是一个常见的需求。
STM32 微控制器作为一种广泛使用的嵌入式平台，支持多种 RTOS 的移植，包括 FreeRTOS 和 embOS 等。
RTOS 使得多任务并行执行、任务调度、时间管理以及同步操作变得更加简便和高效。

在本教程中，我们将探讨如何在 STM32 上移植 FreeRTOS，并基于 RTOS 进行应用设计，涵盖任务创建、时间管理、消息队列、信号量等功能。

1. RTOS 介绍：FreeRTOS 与 embOS
1.1 FreeRTOS
FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统内核，它非常轻量，适合用于嵌入式系统。
FreeRTOS 支持多任务调度、内存管理、任务间通信、定时器等功能。
它是最常用的嵌入式 RTOS 之一，广泛支持 STM32 和其他微控制器平台。

1.2 embOS
embOS 是由 Segger 提供的一种高效的实时操作系统，专为嵌入式应用设计。
embOS 提供多任务调度、时间管理、互斥锁、信号量等高级特性。
虽然它是商业软件，但具有优异的性能和可靠性。

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FreeRTOS 在 STM32 上的移植与使用
下面我们将详细介绍如何在 STM32 上移植 FreeRTOS，并实现一个基本的多任务调度应用。

2.1 在 STM32CubeMX 中启用 FreeRTOS
创建 STM32 项目：使用 STM32CubeMX 创建一个新的 STM32 项目，选择合适的 STM32 微控制器例如 STM32F103、STM32F407 等。

启用 FreeRTOS：在 STM32CubeMX 中，导航到 Middleware -> FreeRTOS，启用 FreeRTOS 支持。CubeMX 会自动为你配置 FreeRTOS 内核，并生成相应的代码框架。

配置 FreeRTOS：在 STM32CubeMX 中，可以设置 FreeRTOS 的参数，如堆栈大小、任务优先级等。CubeMX 会生成 FreeRTOSConfig.h 文件，允许开发者自定义 FreeRTOS 配置选项。

生成代码：配置完成后，点击 Project -> Generate Code，STM32CubeMX 将自动生成项目代码，并为 FreeRTOS 提供初始化代码。

打开项目：打开生成的 STM32 项目通常是 Keil、IAR 或 STM32CubeIDE。

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FreeRTOS 的核心概念
任务：每个任务代表一个可独立执行的代码块。任务是操作系统调度的最小单元。
任务调度： FreeRTOS 提供了基于优先级的任务调度，可以按任务的优先级顺序执行任务。
时间管理：通过定时器、延时等功能管理任务的执行时机。
任务同步：使用信号量、消息队列等机制进行任务间同步与通信。

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创建和调度任务
在 FreeRTOS 中，任务创建和调度非常简单。任务通常是一个无限循环，处理具体的应用逻辑。

以下是如何创建和调度任务的代码示例：

c
复制代码
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

// 任务句柄
TaskHandle_t Task1Handle = NULL;
TaskHandle_t Task2Handle = NULL;

// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters)
{
while(1)
{
      // 任务1执行代码
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);  // 切换 GPIO 状态
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 延时1秒
}
}

// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters)
{
while(1)
{
      // 任务2执行代码
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_14);  // 切换 GPIO 状态
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延时0.5秒
}
}

int main(void)
{
// HAL 初始化
HAL_Init();

// FreeRTOS 启动之前的初始化
SystemClock_Config();

// 创建任务
xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 1, &Task1Handle);
xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 2, &Task2Handle);

// 启动调度器
vTaskStartScheduler();

// 如果调度器成功启动，程序不会执行到这里
while(1);
}

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调度器与任务调度
在 FreeRTOS 中，调度器负责根据任务的优先级顺序来执行任务。
调度器在 vTaskStartScheduler() 被调用时启动，任务将在各自的优先级上运行。

vTaskDelay：用于延时任务，参数是延时的 tick 数。pdMS_TO_TICKS() 用于将毫秒转换为 FreeRTOS 的 tick。
任务优先级：任务创建时指定的优先级决定了其在调度中的执行顺序。高优先级任务会抢占低优先级任务。
2.5 任务同步与通信：信号量、队列
FreeRTOS 提供了多种任务间同步和通信的机制，如信号量、消息队列、事件组等。

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信号量
信号量用于控制任务间的资源访问，避免冲突。

c
复制代码
SemaphoreHandle_t xSemaphore = NULL;

// 在任务1中获取信号量
void Task1(void *pvParameters)
{
while(1)
{
      if (xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
      {
         // 获取到信号量，执行任务
         HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
      }
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
}
}

// 在任务2中释放信号量
void Task2(void *pvParameters)
{
while(1)
{
      // 执行任务
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_14);
      xSemaphoreGive(xSemaphore);  // 释放信号量
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
}
}

int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();

// 创建信号量
xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

// 创建任务
xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);

// 启动调度器
vTaskStartScheduler();
while(1);
}

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消息队列
消息队列用于在任务之间传递数据，避免共享内存访问的冲突。

c
复制代码
QueueHandle_t xQueue = NULL;

// 任务1：发送数据到队列
void Task1(void *pvParameters)
{
int32_t data = 100;
while(1)
{
      xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY);
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
}
}

// 任务2：接收数据并处理
void Task2(void *pvParameters)
{
int32_t receivedData;
while(1)
{
      if (xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
      {
         // 处理接收到的数据
         HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
      }
      vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
}
}

int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();

// 创建消息队列
xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int32_t));

// 创建任务
xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);

// 启动调度器
vTaskStartScheduler();
while(1);
}

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STM32 上的 FreeRTOS 移植与使用能够有效地管理多任务、任务同步与通信。在使用 FreeRTOS 时，开发者需要理解任务调度、优先级管理、任务间同步与通信等基本概念。通过合理使用任务、信号量、消息队列等机制，能够更高效地设计嵌入式系统应用。

随着开发的深入，你还可以使用定时器、互斥锁、事件组等功能，进一步提升系统的实时性与效率。