STM32学习日志_FreeRTOS_day1

参考：

02-STM32CubeIDE创建FreeRTOS工程_哔哩哔哩_bilibili

大D老师

概述

FreeRTOS (Free Real-Time Operating System)** 是一个开源的、小型的、专为微控制器设计的实时操作系统内核。它在资源受限的嵌入式系统中扮演着核心角色，提供任务调度、通信、同步和定时器等关键服务。

层级架构：

从上至下，由表及里：

• 应用：使用FreeRTOS实现具体逻辑：
• Task层：通过FreeRTOS创建任务：
• 系统初始化层：初始化系统时钟，外设，硬件，FreeRTOS内核等
• FreeRTOS内核层：调度和管理任务的核心层，负责任务调度、通信、同步和定时器等；
• 硬件抽象层（HAL）：最内层，直接操作硬件；
• 硬件层：STM32芯片

核心定位

• 实时性：核心目标是提供*确定性*和*可靠性*的任务执行。保证高优先级的任务能在预定的时间内（或尽可能接近）响应事件并执行完毕。对于控制类应用（如电机控制、传感器读取）至关重要。
• 轻量级：设计极其精简，内核代码量小（通常几KB到十几KB），内存占用低（RAM 需求从几百字节到几KB不等）。这使得它非常适合资源极其有限的微控制器。
• 可移植性：内核绝大部分代码用标准的 C 语言编写，与处理器架构无关。通过提供针对不同处理器架构（ARM Cortex-M, RISC-V, PIC, AVR, MSP430, Xtensa 等）的*移植层*，可以轻松地移植到各种微控制器上。
• 开源免费：采用 MIT 许可证，允许在商业闭源产品中免费使用、修改和分发，无需支付版税，极大地降低了开发成本。

核心功能：
任务调度：

•  抢占式调度：核心机制。高优先级任务可以“抢占”（中断）正在运行的低优先级任务，立即获得 CPU 执行权，确保高优先级事件的及时响应。
• 时间片轮转调度： 在相同优先级的任务之间，可以配置为按时间片轮流执行，实现公平性。
• 协程： 提供了一种更轻量级的、协作式（非抢占）的任务模型（现在较少使用）。

任务间通信与同步：

• 队列：最主要的通信机制。任务之间、任务与中断服务程序之间可以通过队列安全地传递数据（消息或数据块）。支持阻塞和非阻塞操作。
• 信号量：用于资源访问控制（二进制信号量、计数信号量）和任务同步（通常用二进制信号量实现）。
• 互斥锁： 一种特殊的二进制信号量，具有*优先级继承*机制，用于解决优先级反转问题，保护共享资源。
• 事件组：允许任务等待或通知多个事件（标志位）的组合，提供更灵活的同步方式。

内存管理：

• FreeRTOS 本身不提供复杂的内存分配器，而是提供几个可选的、简单的堆管理方案（`heap_1` 到 `heap_5`），开发者也可以完全使用自己的内存分配策略。
• `heap_4` 和 `heap_5` 提供了碎片整理功能。

时间管理：

• 系统节拍器：依赖硬件定时器中断提供时间基准（Tick），用于任务延时、超时判断和调度决策。
• 软件定时器：提供创建周期性或一次性定时器的功能（由守护任务管理执行回调函数）。
• 中断管理：提供安全的机制让中断服务程序与任务进行通信（通常通过队列、信号量、任务通知）和唤醒阻塞的任务。定义了中断安全版本的 API（通常以 `FromISR` 结尾）。

优势：

• 极低的资源开销：对 RAM 和 ROM 的需求极小，适用于成本敏感、资源受限的 MCU。
• 卓越的实时性能： 抢占式调度确保了关键任务能及时响应。
• 高可移植性：广泛支持各种微控制器架构和开发工具链。
• 强大社区和生态系统：拥有庞大且活跃的开发者社区，丰富的文档、教程、示例和第三方组件支持。
• 免费且商业友好：MIT 许可证消除了商业化的障碍。
• 成熟稳定：经过多年发展和广泛应用（数十亿设备部署），非常成熟可靠。
• 模块化设计：核心精简，许多高级功能（如 TCP/IP 栈、文件系统、USB 协议栈）可通过附加组件实现，按需选用，避免资源浪费。
•  亚马逊维护： 自 2017 年起由亚马逊 AWS 收购并积极维护，确保了其持续发展和支持。

  应用领域：

• 工业自动化与控制（PLC、传感器、执行器）

• 消费电子（家电、可穿戴设备、智能家居）

• 汽车电子（车身控制、信息娱乐辅助系统）

• 物联网设备与边缘节点

• 医疗设备（监护仪、便携设备）

• 网络设备（交换机、路由器模块）

• 测试测量设备

• 任何需要多任务管理、实时响应且运行在资源受限 MCU 上的嵌入式系统。

部署

以STM32cubeIDE为例，核心流程：创建工程 -> 图形化配置 -> 生成代码 -> 编写任务代码

S1:创建或打开 STM32CubeIDE 工程

S2：使用 CubeMX 配置 FreeRTOS

ioc 配置：

在 Project Explorer 中双击项目根目录下的 .ioc 文件,打开 CubeMX 图形界面。

启用 FreeRTOS：

在左侧的 Middleware and Software Packs 分类下，找到 FREERTOS。点击下拉箭头，选择 CMSIS_V2 (推荐使用此版本，兼容性更好，功能更丰富)。状态会变为 Enabled。（可选） 如果你看到的是 CMSIS_V1 或 Native，CMSIS_V2 通常是更好的选择。

配置 FreeRTOS 参数 (关键步骤)：

• 切换到顶部的 Middleware and Software Packs 选项卡 (或直接在 .ioc 视图中间区域找到 FreeRTOS 配置项)。

• 选择 FreeRTOS 接口，推荐选择 CMSIS_V2（功能更丰富，兼容性更好），点击下拉框 → 选择 CMSIS_V2 → 状态变为 Enabled

• 展开 FREERTOS 下的 Configuration，

• Kernel Settings 标签页：

  • TICK_RATE_HZ：设置系统节拍频率 (Hz)。通常为 1000 (1ms) 或 100 (10ms)。更高的 Tick Rate 提供更精细的时间控制但增加 CPU 开销。

  • USE_PREEMPTION：确保勾选 (抢占式调度是核心)。

  • MAX_PRIORITIES：设置最大优先级数量 (通常 5-15 足够，太多浪费 RAM)。

  • MINIMAL_STACK_SIZE：设置最小任务栈大小 (单位：字，4字节/字)。务必根据任务需求增加！ 默认值 (128 字 = 512 字节) 对简单任务可能够用，复杂任务或使用 printf 等函数需增大 (如 256-512 字或更大)。栈溢出是常见问题！

  • TOTAL_HEAP_SIZE：非常重要！ 设置 FreeRTOS 动态内存堆的总大小 (单位：字节)。所有任务栈、队列、信号量等动态创建对象都从这里分配。默认值 (3072 字节 = 3KB) 通常太小！ 根据你计划创建的任务数和对象大小估算并增大 (例如 8192, 16384 甚至更大)。监控运行时的 xPortGetFreeHeapSize() 来调整。

  • MEMORY_ALLOCATION：选择内存分配方案：

    • Dynamic：使用 FreeRTOS 自带的堆管理器 (heap_x.c)。heap_4.c (包含碎片合并) 是最常用推荐选项 (在 Project Manager -> Code Generator 中选择 Copy only necessary library files 后会自动包含)。

    • Static：用户自己提供内存块 (需要手动分配内存数组)。更复杂但确定性更高。

 配置系统时钟 (SysTick 冲突)：

1. • FreeRTOS 默认使用 SysTick 定时器作为其时钟源 (Timebase Source)。

   • 转到 System Core > SYS 配置。

   • 确保 Timebase Source 设置为除 SysTick 以外的选项 (如 TIM1, TIM6 等)。这是必须步骤，避免 FreeRTOS 和 HAL 库争用 SysTick。

2. 配置中断优先级 (NVIC)：

   • 转到 System Core > NVIC。

   • 找到与 FreeRTOS 相关的中断：

     • PendSV_IRQn：应设置为最低优先级 (如优先级 15)。

     • SVCall_IRQn：通常设置为最低优先级 (如优先级 15)。

     • SysTick_IRQn：FreeRTOS 使用，优先级应高于 PendSV 和 SVC，但低于或等于你应用的最高优先级中断。一个常见的设置是比最低优先级高一点 (如优先级 14 或 15)。确保其抢占优先级低于你的关键硬件中断。

   • 关键原则：确保 FreeRTOS 管理的中断 (PendSV, SVC, SysTick) 的优先级低于或等于你应用中需要快速响应的硬件中断的优先级。避免 FreeRTOS 中断抢占关键硬件中断。

S3:生成代码

1. 完成所有配置（FreeRTOS 和其他所需外设如 GPIO, UART, SPI 等）后。

2. 点击 CubeMX 界面顶部的 GENERATE CODE 按钮 (或按 Alt+K)。

3. STM32CubeIDE 会自动：

   • 根据你的配置生成 HAL 库初始化代码。

   • 生成 FreeRTOS 配置文件 FreeRTOSConfig.h (位于 Core/Inc)，包含所有你在 CubeMX 中设置的宏定义。

   • 生成 FreeRTOS 移植层代码 (位于 Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source/portable/[Compiler]/[Architecture]，如 GCC/ARM_CM4F)。

   • 生成你在 Tasks and Queues 中定义的任务函数框架 (位于 Core/Src/freertos.c 和 Core/Inc/freertos.h)。任务函数体是空的 for(;;) 循环或 osDelay 调用。

   • 将 FreeRTOS 内核源文件 (tasks.c, queue.c, list.c, timers.c, event_groups.c, heap_x.c 等) 链接到你的项目 (通常位于 Middlewares/Third_Party/FreeRTOS/Source)。

S4:编写任务代码

1. 在 Project Explorer 中，打开 Core/Src/freertos.c 文件。

2. 找到你在 CubeMX 中创建的任务对应的函数 (如 void StartDefaultTask(void *argument)。

3. 在此函数内编写你的任务逻辑：

   • 任务通常包含一个无限循环 (for(;;) {...} 或 while(1) {...})。

   • 在循环内部，使用 FreeRTOS API 进行：

     • 延时：vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 延迟 100ms (推荐方式)

     • 挂起/恢复任务：vTaskSuspend(), vTaskResume()

     • 任务间通信：xQueueSend(), xQueueReceive(), xSemaphoreGive(), xSemaphoreTake(), xEventGroupSetBits(), xEventGroupWaitBits() 等。

     • 获取时间：xTaskGetTickCount()

4. 创建更多任务/对象：

   • 除了在 CubeMX 中静态创建的任务，可以在 main() 函数 (或某个任务中) 使用 FreeRTOS API 动态创建：

     ​
     xTaskCreate(MyTaskFunction,   // 任务函数指针
                 "MyTaskName",     // 任务名字符串
                 256,              // 栈大小 (字)
                 NULL,             // 传递给任务的参数
                 tskIDLE_PRIORITY + 2, // 优先级
                 &xMyTaskHandle);  // 任务句柄指针 (用于后续操作)
     
     ​

   • 同样可以动态创建队列、信号量等：xQueueCreate(), xSemaphoreCreateBinary() 等。

5. 启动调度器：

   • 在 Core/Src/main.c 的 main() 函数中，HAL 初始化 (MX_xxx_Init()) 和 FreeRTOS 初始化 (MX_FREERTOS_Init()) 完成后，会调用 osKernelStart() (这是 CMSIS-RTOS v2 封装的 API)。

   • osKernelStart() 会启动 FreeRTOS 调度器，永不返回。 你的任务从此开始运行。

 S5:编译、下载与调试

1. 编译：点击工具栏上的锤子图标或 Project -> Build Project。

2. 下载：连接开发板，点击工具栏上的绿色箭头图标或 Run -> Run。

3. 调试：

   • 使用 STM32CubeIDE 的内置调试器。

   • 查看任务状态：在 Run -> Debug 后，打开 Window -> Show View -> Other...，在 FreeRTOS 分类下找到 FreeRTOS Task List 和 FreeRTOS Queue List 等视图。这些视图能实时显示任务状态（Running, Ready, Blocked, Suspended）、栈使用量、队列状态等，是调试利器！

   • 监视堆使用：在代码中调用 xPortGetFreeHeapSize() 或 uxTaskGetStackHighWaterMark() 监控堆和栈的使用情况，防止溢出。

 关键注意事项与提示：

1. 栈大小 (Stack Size) 和堆大小 (TOTAL_HEAP_SIZE): 这是新手最容易出错的地方。务必根据任务复杂度、函数调用深度（尤其是递归、局部大数组、调用库函数如 printf）、队列/信号量数量等慷慨设置并实时监控。栈溢出或堆耗尽会导致极其难以调试的崩溃。

2. 中断优先级 (NVIC): 正确配置 SysTick, PendSV, SVC 的优先级至关重要，必须低于你的关键硬件中断优先级。

3. Timebase Source: 必须确保不是 SysTick。

4. API 版本: 优先使用 CMSIS-RTOS v2 (CMSIS_V2) 封装层。它提供了更现代、更统一的 API 接口。

5. 延时: 在任务中务必使用 FreeRTOS 提供的延时函数 (vTaskDelay, osDelay)，而不是 HAL_Delay 或忙等待。这会让出 CPU 给其他任务。

6. 共享资源保护: 在任务间或任务与中断间共享变量、外设等资源时，必须使用互斥量 (osMutex...)、信号量或关中断等机制进行保护，防止竞态条件。

7. FreeRTOSConfig.h: 这个文件定义了所有核心配置。CubeMX 生成后，除非必要，不建议手动修改，最好通过 CubeMX 界面修改后重新生成。如需手动调整高级特性，请小心操作。