FreeRTOS实时操作系统(2)

前言：FreeRTOS内容较多，分篇发布，较为基础，旨在梳理知识，适合入门的同学   
（基于正点原子STM32F103开发板V2）
（对于本篇，若有疑问，欢迎在评论区留言，作者将在两小时内解答）
（本篇参考B站正点原子FreeRTOS）

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前言：FreeRTOS内容较多，分篇发布，较为基础，旨在梳理知识，适合入门的同学   （基于正点原子STM32F103开发板V2）（对于本篇，若有疑问，欢迎在评论区留言，作者将在两小时内解答）（本篇参考B站正点原子FreeRTOS）

1.任务的挂起与恢复

​编辑1.1任务挂起函数

1.2任务恢复函数（任务中恢复）

1.3任务恢复函数（中断中恢复）

1.4任务挂起与恢复实验

1.5总结

2.中断管理

2.1什么是中断？

2.2中断优先级分组设置

2.3中断优先级配置寄存器

2.4中断屏蔽寄存器

2.5中断管理实验

3.临界段代码保护

3.1临界段

3.2临界段代码保护函数

4.任务调度器的挂起和恢复

5.总结

---

1.任务的挂起与恢复

挂起：挂起任务类似暂停，可恢复； 删除任务，无法恢复

恢复：恢复被挂起的任务

FromISR：带FromISR后缀是在中断函数中专用的API函数

1.1任务挂起函数

void vTaskSuspend(TaskHandle_t xTaskToSuspend)

注意：

1.此函数用于挂起任务，使用时需将宏 INCLUDE_vTaskSuspend  配置为 1

2.无论优先级如何，被挂起的任务都将不再被执行，直到任务被恢复

3.当传入的参数为NULL，则代表挂起任务自身（当前正在运行的任务）

1.2任务恢复函数（任务中恢复）

void vTaskResume(TaskHandle_t xTaskToResume)

注意：

1.使用该函数注意宏：INCLUDE_vTaskSuspend必须定义为 1

2.任务无论被 vTaskSuspend() 挂起多少次，只需在任务中调用  vTakResume() 恢复一次，就可以继续运行，且被恢复的任务会进入就绪态（不支持嵌套）

1.3任务恢复函数（中断中恢复）

BaseType_t xTaskResumeFromISR(TaskHandle_t xTaskToResume)

返回值

pdTRUE：当恢复的任务优先级大于正在执行任务的优先级时，由于抢占式调度，任务优先级高的抢占任务优先级低的，进行任务切换

pdFALSE：当恢复的任务优先级小于于正在执行任务的优先级时，不需要进行任务切换

注意：

1.使用该函数注意宏：INCLUDE_vTaskSuspend 和 INCLUDE_xTaskResumeFromISR 必须定义为 1

2.该函数专用于中断服务函数中，用于解挂被挂起任务

3.中断服务程序中要调用freeRTOS的API函数则中断优先级不能高于FreeRTOS所管理的最高优先级（特别注意）

重点说明第3点：

中断服务程序（ISR）通常在非常短的周期内运行，并且不能阻塞。如果 ISR 的优先级高于任务，那么 ISR 可能会不断打断任务的执行，导致任务无法完成，不断打断任务的执行：由于 ISR 的优先级更高，每次 ISR 被触发时，它都会抢占当前正在执行的任务。这会导致以下情况：

• 任务无法完成：如果任务正在处理一个复杂或耗时的操作，ISR 的频繁打断会导致任务无法完成其当前的工作。
• 上下文切换：每次 ISR 打断任务时，操作系统都需要保存任务的状态（上下文），然后切换到 ISR。ISR 完成后，再恢复任务的状态并继续执行。这种频繁的上下文切换会消耗大量的系统资源，并可能导致性能下降。
• 系统响应性降低：如果高优先级的中断频繁发生，低优先级任务可能会长时间得不到执行，从而降低系统的响应性和实时性

1.4任务挂起与恢复实验

（基于正点原子STM32F103开发板V2）

本实验在<动态/静态创建任务实验>的基础上进行修改

动态/静态创建任务实验的start_task、task1、task2与本次实验相同，task3在本次实验进行修改

第一步：

将任务 挂起/恢复 函数宏 INCLUDE_vTaskSuspend  配置为 1（默认为1）

路径：\User\FreeRTOSConfig.h

第二步：

修改task3

/**
 * @brief       task3
 * @param       pvParameters : 传入参数(未用到)
 * @retval      无
 */
void task3(void *pvParameters)
{
    uint8_t key = 0;
    
    while (1)
    {
        key = key_scan(0);
        
        switch (key)
        {
            case KEY0_PRES:                     /* 挂起任务1 */
            {
                vTaskSuspend(Task1Task_Handler); //调用挂起任务函数
                break;
            }
            case KEY1_PRES:                     /* 恢复任务1 */
            {
                vTaskResume(Task1Task_Handler);
                break;
            }
            default:
            {
                break;
            }
        }
        
        vTaskDelay(10);
    }
}

实验现象：

每500ms，两块区域颜色变化，并计数+1

按下KEY0  task1挂起（暂停变色和计数），按下KEY1task1恢复挂起（继续变色和计数）

1.5总结

2.中断管理

2.1什么是中断？

中断：让CPU打断正常运行的程序，转而去处理紧急的事件（程序）中断优先级分组设置

2.2中断优先级分组设置

ARM Cortex-M 使用了 8 位宽的寄存器来配置中断的优先等级，这个寄存器就是中断优先级配置寄存器 ，但STM32，只用了中断优先级配置寄存器的高4位 [7 : 4]，所以STM32提供了最大16级的中断优先等级

STM32 的中断优先级可以分为抢占优先级和子优先级

抢占优先级： 抢占优先级高的中断可以打断正在执行但抢占优先级低的中断

子优先级：当同时发生具有相同抢占优先级的两个中断时，子优先级数值小的优先执行

特点：

中断优先级数值越小越优先

所以，我们STM32一共有五个分配方式

通过调用函数HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4）即可完成设置（在HAL_Init中设置）

FreeRTOS官网关于中断说明：https://www.freertos.org/RTOS-Cortex-M3-M4.html

注意事项：

1.低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY优先级的中断里才允许调用FreeRTOS 的API函数（本套实验低于5优先级，即5-15中断被允许调用API函数）

2.建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便FreeRTOS管理（调用函数HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4）

3.中断优先级数值越小越优先，任务优先级数值越大越优先

2.3中断优先级配置寄存器

三个系统中断优先级配置寄存器，分别为 SHPR1、 SHPR2、 SHPR3

SHPR1寄存器地址：0xE000ED18

SHPR2寄存器地址：0xE000ED1C

SHPR3寄存器地址：0xE000ED20

表出自：《Cortex M3权威指南(中文)》第286页

例如：

我们要设置PendSV的优先级，我们只要让SHPR3寄存器地址：0xE000ED20左移16位（8
+8）

我们要设置SysTick的优先级，我们只要让SHPR3寄存器地址：0xE000ED20左移24位（8
+8+8）

设置某位中断优先级路径

\Middlewares\FreeRTOS\portable\RVDS\ARM_CM3\port.c

配置FreeRTOS可管理的最高中断优先级 5-15

configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS)： 

将 configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY 的值左移 (8 - configPRIO_BITS) 位。如果 configPRIO_BITS 是 4，那么这个表达式就变成了 15 << 4

在二进制中，15 是 0000 1111。左移 4 位后，它变成了 1111 0000，这样15配置的就是寄存器的高四位了

注意：

PendSV和SysTick设置最低优先级，保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应

2.4中断屏蔽寄存器

三个中断屏蔽寄存器，分别为 PRIMASK、 FAULTMASK 和BASEPRI

FreeRTOS所使用的中断管理就是利用的BASEPRI这个寄存器

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断

FreeRTOS中的逻辑澄清
低优先级任务B执行时： 当低优先级任务B正在执行时，理想情况下，你不希望任何低优先级（数值上更大）的中断打断它，但是你希望允许高优先级（数值上更小）的中断，比如高优先级任务A的中断，能够打断B。因此，BASEPRI应该设置为一个值，该值允许高于B优先级的中断发生，而屏蔽掉低于或等于B优先级的中断。

高优先级任务A执行时： 在高优先级任务A执行时，理论上没有必要调整BASEPRI，因为A已经处于较高优先级，系统中的其他中断应该都是低于A的优先级（除了可能的系统保留中断，这些通常由操作系统管理，不受用户控制）。因此，对于A的执行，不需要通过BASEPRI来保护它免受低优先级任务的中断

例如：

BASEPRI设置为0x50（5<<4，高四位执行中断），代表中断优先级在5~15内的均被屏蔽，0~4的中断优先级正常执行

（但即使5-15优先级的中断被屏蔽，在特定状态下会被触发，一旦触发，系统就会进入相应的中断服务例程(ISR)来处理这个中断）

关中断：

中断服务函数中调度FreeRTOS的API函数需特别注意：

1.中断服务函数的优先级需在FreeRTOS所管理的范围内

2.在中断服务函数里边需调用FreeRTOS的API函数，必须使用带“FromISR”后缀的函数

开中断：

 BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，当设置为0时，则不关闭任何中断

2.5中断管理实验

（基于正点原子STM32F103开发板V2）

第一步：

定义两个定时器 TIM3、TIM5

路径：

\Drivers\BSP\TIMER\btim.h

#ifndef __BTIM_H
#define __BTIM_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"

/******************************************************************************************/
/* 基本定时器 定义 */

/* TIMX 中断定义 
 * 默认是针对TIM2~TIM5, TIM12~TIM17.
 * 注意: 通过修改这4个宏定义,可以支持TIM1~TIM17任意一个定时器.
 */
 
#define BTIM_TIM3_INT                       TIM3
#define BTIM_TIM3_INT_IRQn                  TIM3_IRQn
#define BTIM_TIM3_INT_IRQHandler            TIM3_IRQHandler
#define BTIM_TIM3_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* TIM3 时钟使能 */

#define BTIM_TIM5_INT                       TIM5
#define BTIM_TIM5_INT_IRQn                  TIM5_IRQn
#define BTIM_TIM5_INT_IRQHandler            TIM5_IRQHandler
#define BTIM_TIM5_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* TIM5 时钟使能 */

/******************************************************************************************/

void btim_tim3_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);
void btim_tim5_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);

#endif

第二步：

设置定时器优先级  TIM3 优先级为4  TIM5 优先级为6

路径：\Drivers\BSP\TIMER\btim.c

#include "./BSP/TIMER/btim.h"
#include "./SYSTEM/USART/usart.h"

TIM_HandleTypeDef g_tim3_handle;        /* 定时器3句柄 */
TIM_HandleTypeDef g_tim5_handle;        /* 定时器5句柄 */

/**
 * @brief       基本定时器TIM3定时中断初始化函数
 * @note
 *              基本定时器的时钟来自APB1,当PPRE1 ≥ 2分频的时候
 *              基本定时器的时钟为APB1时钟的2倍, 而APB1为36M, 所以定时器时钟 = 72Mhz
 *              定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us.
 *              Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
 *
 * @param       arr: 自动重装值。
 * @param       psc: 时钟预分频数
 * @retval      无
 */
void btim_tim3_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    BTIM_TIM3_INT_CLK_ENABLE();                                      /* 使能TIM3时钟 */
    
    g_tim3_handle.Instance = BTIM_TIM3_INT;                          /* 通用定时器3 */
    g_tim3_handle.Init.Prescaler = psc;                              /* 分频 */
    g_tim3_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;             /* 向上计数器 */
    g_tim3_handle.Init.Period = arr;                                 /* 自动装载值 */
    g_tim3_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;       /* 时钟分频因子 */
    HAL_TIM_Base_Init(&g_tim3_handle);
    
    HAL_NVIC_SetPriority(BTIM_TIM3_INT_IRQn, 4, 0);  /* 设置中断优先级，抢占优先级4，子优先级0 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(BTIM_TIM3_INT_IRQn);          /* 开启ITM3中断 */
    
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_tim3_handle);           /* 使能定时器3和定时器3更新中断 */
}

/**
 * @brief       基本定时器TIM5定时中断初始化函数
 * @note
 *              基本定时器的时钟来自APB1,当PPRE1 ≥ 2分频的时候
 *              基本定时器的时钟为APB1时钟的2倍, 而APB1为36M, 所以定时器时钟 = 72Mhz
 *              定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us.
 *              Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
 *
 * @param       arr: 自动重装值。
 * @param       psc: 时钟预分频数
 * @retval      无
 */
void btim_tim5_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    BTIM_TIM5_INT_CLK_ENABLE();                                      /* 使能TIM5时钟 */
    
    g_tim5_handle.Instance = BTIM_TIM5_INT;                          /* 通用定时器5 */
    g_tim5_handle.Init.Prescaler = psc;                              /* 分频 */
    g_tim5_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;             /* 向上计数器 */
    g_tim5_handle.Init.Period = arr;                                 /* 自动装载值 */
    g_tim5_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;       /* 时钟分频因子 */
    HAL_TIM_Base_Init(&g_tim5_handle);
    
    HAL_NVIC_SetPriority(BTIM_TIM5_INT_IRQn, 6, 0);  /* 设置中断优先级，抢占优先级6，子优先级0 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(BTIM_TIM5_INT_IRQn);          /* 开启ITM5中断 */
    
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_tim5_handle);           /* 使能定时器5和定时器5更新中断 */
}

/**
 * @brief       定时器中断服务函数
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void BTIM_TIM3_INT_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&g_tim3_handle);
}

/**
 * @brief       定时器中断服务函数
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void BTIM_TIM5_INT_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&g_tim5_handle);
}

/**
 * @brief       定时器更新中断回调函数
* @param        htim:定时器句柄指针
 * @retval      无
 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) //htim 参数可以用来判断是哪个定时器触发了事件
{
    if (htim == (&g_tim3_handle))
    {
        printf("TIM3输出\r\n");
    }
    else if (htim == (&g_tim5_handle))
    {
        printf("TIM5输出\r\n");
    }
}

第三步：

配置定时器 TIM3 和 TIM5

路径：\User\freertos_demo.c

任务设置与前两个实验一样

我们主要看start_task

void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           /* 进入临界区 */
    /* 初始化TIM3、TIM5 */
    btim_tim3_int_init(10000-1, 7200-1);
    btim_tim5_int_init(10000-1, 7200-1);
    /* 创建任务1 */
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task1,
                (const char*    )"task1",
                (uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )TASK1_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);
    vTaskDelete(StartTask_Handler); /* 删除开始任务 */
    taskEXIT_CRITICAL();            /* 退出临界区 */
}

重点解释   TIM3和5的配置

我们的实验基于正点原子STM32F103开发板V2，主频时钟频率为72Mhz

TIM3 和 TIM5 都通过 APB1 总线工作，APB1 的最大频率为系统时钟的 1/2，因此在 72 MHz 的情况下，APB1 的频率为 36 MHz

1. 第一个参数（10000-1）

• ARR（自动重装载寄存器）：
  • 10000-1 设置了自动重装载值为 9999。这意味着定时器的计数范围是从 0 到 9999，共计 10000 个计数。当计数达到 9999 时，定时器将溢出并触发相应的中断（如果启用了中断）。

2. 第二个参数（7200-1）

• 预分频器（PSC）：
  • 7200-1 设置了预分频器为 7199。预分频器的作用是将 TIM 时钟频率降低。以 36 MHz 的 TIM 时钟为例，设置预分频器为 7199 的计算方式如下：

  

3. 结果

• 由于计数频率为 5 kHz，每个计数周期为 1 / 5000 秒，即 0.2 ms，所以，当计数到 9999（10000 次计数）时，实际的溢出时间为：10000×0.2 ms=2000 ms=2 s10000×0.2 ms=2000 ms=2 s
• 计数频率：当你将定时器初始化为 9999 和 7199 时，定时器将以 5 kHz 的频率计数，并且每当计数到 9999 时，会溢出并触发中断。这将使得程序每 2秒（1 秒 / 5 kHz）执行一次相应的中断服务程序（ISR）

第四步：

编写开中断、关中断函数

路径：\User\freertos_demo.c

/**
 * @brief       task1
 * @param       pvParameters : 传入参数(未用到)
 * @retval      无
 */
void task1(void *pvParameters)
{
    uint32_t task1_num = 0;
    
    while (1)
    {
        if (++task1_num == 5)
        {
            uint32_t task1_num = 0;
            printf("FreeRTOS关闭中断\r\n");
            portDISABLE_INTERRUPTS();       /* FreeRTOS关闭中断 */
            delay_ms(5000); //这里不用vTaskDelay是因为vTaskDelay会开启中断
            printf("FreeRTOS打开中断\r\n");
            portENABLE_INTERRUPTS();        /* FreeRTOS打开中断 */
        }
        
        vTaskDelay(1000);
    }
}

实验现象：

task1每执行五次，FreeRTOS打开/关闭中断

2.6总结

3.临界段代码保护

3.1临界段

临界段：临界段代码也叫做临界区，是指那些必须完整运行，不能被打断的代码段，临界区直接屏蔽了中断

使用场景

3.2临界段代码保护函数

 FreeRTOS 在进入临界段代码的时候需要关闭中断，当处理完临界段代码以后再打开中断

中断级进入临界段：

中断级临界段的主要目的是防止在中断服务程序（ISR）中被其他中断打断，确保在处理关键任务时的数据一致性和完整性

任务级临界区调用格式示例：

taskENTER_CRITICAL() ; //关中断
{
        … …	/* 临界区 */
}
taskEXIT_CRITICAL()	; //开中断

中断级临界区调用格式示例：

ISR{

uint32_t  save_status;
save_status  = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()； //备份save_status 中断屏蔽寄存器之前的值，然后关闭中断
{
        … …	/* 临界区 */
}
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(save_status );  //将之前save_status的值读回来

}

特点：

1.成对使用

2.支持嵌套

3.尽量保持临界段耗时短

特别注意：

不允许临界区代码量太大，执行时间太长，否则会造成延时中断，中断得不到及时响应，这在FreeRTOS中是不允许的

4.任务调度器的挂起和恢复

挂起任务调度器（关闭任务切换）， 调用此函数不需要关闭中断

使用格式示例：

vTaskSuspendAll() ;
{
        … …	/* 内容 */
}
xTaskResumeAll()	;

特点：

1.与临界区不一样的是，挂起任务调度器，未关闭中断

2.它仅仅是防止了任务之间的资源争夺，中断照样可以直接响应

3.挂起调度器的方式，适用于临界区位于任务与任务之间；既不用去延时中断，又可以做到临界区的安全

5.总结

FreeRTOS官网：https://www.freertos.org/

正点原子STM32F103开发板V2   a盘资料： https://pan.baidu.com/s/1iebOVd87jBVtoudMijboIg 提取码：1ypa

FreeRTOS内容较多，内容分篇发布，感谢大家观看

连载中...  

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创作时间：2024.10.25