FreeRTOS原理,在STM32下完成一个基于FreeRTOS的多任务程序

本文介绍了一个基于FreeRTOS的多任务实验,实验包括三个周期性任务:LED闪烁、串口发送指令数据及温湿度数据采集。文章提供了完整的实验代码及运行结果。

一、学习FreeROTS

1.Free 即免费的,RTOS 全称是 Real Time Operating System,中文就是实时操作系统。注意,RTOS 不是指某一个确定的系统,而是指一类系统。比如 uC/OS,FreeRTOS,RTX,RT-Thread 等这些都是 RTOS 类操作系统。
2.操作系统允许多个任务同时运行,这个叫做多任务。实际上,一个处理器核心在某一时刻只能运行一个任务。操作系统中任务调度器的责任就是决定在某一时刻究竟运行哪个任务。任务调度在各个任务之间的切换非常快,就给人们造成了同一时刻有多个任务同时运行的错觉。
3.某些操作系统给每个任务分配同样的运行时间,时间到了就轮到下一个任务,比如Unix 操作系统。 FreeRTOS 操作系统则是由用户给每个任务分配一个任务优先级,任务调度器就可以根据此优先级来决定下一刻应该运行哪个任务。
4.FreeRTOS 是 RTOS 系统的一种,FreeRTOS 十分的小巧,可以在资源有限的微控制器中运行,当然,FreeRTOS 不仅局限于在微控制器中使用。但从文件数量上来看 FreeRTOS 要比uC/OSII 和 uC/OSIII 小的多。

二、完成实验

实验内容如下:
执行3个周期性task,具体任务不限,但建议如下:task1,每间隔500ms闪烁(变化)一次LED;task2,每间隔2000ms,向串口发送一次指令数据“helloworld!";task3,每间隔5000ms,从AHT20采集一次温湿度数据(不考虑硬件情况,仅写出整个多任务框架模拟代码)。
实验代码获取:
链接:https://pan.baidu.com/s/1_eiuzxIz8QHoDoZXzWW1Qg
提取码:izjs

将main.c的代码替换为

/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
/* 开发板硬件bsp头文件 */
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h"


 /* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
/* LED1任务句柄 */
static TaskHandle_t LED1_Task_Handle = NULL;
/* LED2任务句柄 */
static TaskHandle_t LED2_Task_Handle = NULL;
/* USART1任务句柄 */
static TaskHandle_t USART1_Task_Handle = NULL;
/* AHT20任务句柄 */
static TaskHandle_t AHT20_Task_Handle = NULL;





/*************************************************************************
                             函数声明
*************************************************************************/

static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
static void LED1_Task(void* pvParameters);/* LED1_Task任务实现 */
static void LED2_Task(void* pvParameters);/* LED2_Task任务实现 */
static void USART1_Task(void* pvParameters);/* USART1_Task任务实现 */
static void AHT20_Task(void* pvParameters);/* AHT20_Task任务实现 */
static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */



<think>好的,我现在需要帮用户解决FreeRTOS中任务栈大小的计算问题。首先,用户提到了动态和静态创建任务的区别,这涉及到任务控制块和栈空间的内存分配方式。根据引用[1],静态创建需要用户自己分配内存,所以栈大小必须由用户正确计算,否则可能导致溢出或内存浪费。 接下来,我得回忆FreeRTOS的任务栈结构。每个任务都有自己的栈,用于保存局部变量、函数调用地址和上下文切换时的寄存器状态。栈的大小取决于任务的需求,比如函数调用深度、局部变量大小以及是否使用浮点运算等因素。 用户需要知道具体的计算方法和公式。首先,常见的经验值方法可能是个起点,比如默认设置或同类任务参考,但这种方法不够精确。然后,基于函数调用深度的方法需要考虑最深的函数调用链,每个函数的栈帧大小,这可能包括自动变量和保存的寄存器。例如,一个函数调用链有5层,每层需要32字节,那么总需求是5×32=160字节,加上额外缓冲。 另外,基于任务代码分析的方法需要检查所有函数,尤其是使用大量局部数组或变量的情况。比如,一个函数内部有char buffer[256],那这部分就需要预留足够的栈空间。同时,中断服务程序和API调用也可能消耗栈空间,特别是在高优先级中断中,需要考虑嵌套情况。 然后,用户可能不知道实际测量方法。这里可以使用FreeRTOS提供的uxTaskGetStackHighWaterMark()函数来检测栈的高水位线,从而了解实际使用情况。例如,初始化时分配1024字节,运行后发现高水位线是300,那么可以适当减少栈大小,但需要保留安全余量。 还要注意特殊情况的处理,比如使用浮点运算时,上下文切换会保存更多的寄存器,导致栈需求增加。此外,启用栈溢出检测功能(如configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW)可以帮助及时发现溢出问题,避免系统崩溃。 用户可能存在的疑问包括:如何确定安全系数?通常建议增加20-30%的余量。另外,静态和动态创建任务在栈计算上有区别吗?其实计算方法相同,只是内存来源不同。 最后,需要总结步骤,给出公式,并结合实际例子说明。比如,任务代码分析得到600字节,加上中断和API的200,总需求800,再乘以1.2得到960字节,然后取整为1024。同时,强调实际测量和调整的重要性,确保系统稳定。</think>### FreeRTOS任务栈大小计算方法分步说明 #### 一、核心计算原则 任务栈大小需满足以下需求: 1. 函数调用产生的栈帧(局部变量、返回地址) 2. 任务切换时的上下文保存(寄存器状态) 3. 中断嵌套产生的额外栈消耗 4. 浮点运算协处理器状态保存(若启用) 5. 安全冗余空间(建议20%-30%余量) #### 二、具体计算方法 $$ 总栈大小 = (基础需求 + 中断嵌套需求) \times 安全系数 $$ 1. **基础需求计算**: - 通过`uxTaskGetStackHighWaterMark()`函数测量 - 或手动计算:函数调用深度 × 单个栈帧大小 - 示例:任务含3层嵌套函数调用,每层使用40字节 $$ 基础需求 = 3 \times 40 = 120 \text{字节} $$ 2. **中断嵌套需求**: - 按最大中断嵌套层数 × 中断栈消耗 - 典型值:ARM Cortex-M系列每个中断消耗约80字节 3. **特殊需求**: - 浮点运算需增加128-256字节 - 大数组/结构体需单独计算空间 ```c void TaskFunction(void *pvParam) { float matrix[16][16]; // 需计算16×16×4=1024字节 } ``` #### 三、实际应用公式 $$ 推荐栈大小 = (代码估算值 + 中断需求) \times 1.3 $$ (最终取值应为CPU字长的整数倍) #### 四、验证与优化步骤 1. 初始化时设置较大栈空间(如2048字节) 2. 运行任务后获取高水位标记: ```c UBaseType_t watermark = uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL); ``` 3. 计算实际需求: $$ 实际需求 = 总分配空间 - watermark $$ 4. 调整后保留20%安全余量 #### 五、典型场景参考值 | 任务类型 | 建议初始值 | 说明 | |--------------------|------------|------------------------------| | 简单状态机任务 | 128-256字节 | 无中断、无复杂计算 | | TCP/IP通信任务 | 1024-2048字节 | 需处理网络协议栈 | | 文件系统操作任务 | 512-1024字节 | 包含I/O缓冲区 | | 浮点运算密集型任务 | 1536-3072字节 | 含矩阵运算/信号处理 | #### 六、关键注意事项 1. 栈对齐要求需符合CPU架构特性(如ARM需8字节对齐) 2. 使用`configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW`参数开启溢出检测[^2] 3. 混合中断与任务调用时,中断栈空间单独计算[^3] 4. 使用`vTaskList()`可查看所有任务栈使用情况
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