FreeRTOS学习

Posted 2023-04-08 Caramel_biscuit

裸机与RTOS对比

裸机：又称为前后台系统，前台系统指的是中断服务函数，后台系统指的大循环，即应用程序。

• 实时性差：（应用程序轮流执行）
• delay：空等待，CPU不执行其它代码
• 结构臃肿：实现功能都放在无限循环

RTOS：Real Time OS，实时操作系统，强调“实时性”

• 分而治之：实现功能划分为多个任务
• 延时函数：任务调度
• 抢占式：高优先级任务抢占低优先级任务
• 任务堆栈：每个任务都有自己的栈空间，用于保存局部变量以及任务的上下文信息。

中断可以打断任意任务

FreeRTOS基础知识

调度器：使用相关的调度算法来决定当前需要执行哪个任务。
FreeRTOS一共支持三种任务调度方式：

• 抢占式调度：主要针对优先级不同的任务，每个任务都有一个优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。（数值越大，优先级越大）
• 时间片调度：主要针对优先级相同的任务，当多个任务的优先级相同时，任务调度器会在每一次系统时钟节拍到的时候切换任务。
• 协程式调度：当前执行任务将会一直执行，同时高优先级的任务不会抢占低优先级任务。FreeRTOS现在虽然还支持，但是官方表示已经不再更新协程式调度。

抢占式调度

运行过程如下：
1、首先Task1在运行中，在这个过程中Task2就绪了，在抢占式调度器的作用下Task2会抢占Task1的运行
2、Task2运行过程中，Task3就绪了，在抢占式调度器的作用下Task3会抢占Task2的运行
3、Task3运行过程中，Task3阻塞了（系统延时或等待信号量等），此时就绪态中，优先级最高的任务Task2执行
4、Task3阻塞解除了（延时到了或者接收到信号量），此时Task3恢复到就绪态中，抢占TasK2的运行

高优先级任务，优先执行；高优先级任务不停止，低优先级任务无法执行；被抢占的任务将会进入就绪态。

时间片调度

同等优先级任务轮流地享有相同的CPU时间（可设置：设置滴答定时器的中断周期），叫时间片，在FreeRTOS中，一个时间片就等于SysTick中断周期。

Task3运行过程中（还不到一个时间片），Task3阻塞了（系统延时或等待信号量等），此时直接切换到下一个任务Task1。

同等优先级任务，轮流执行；时间片轮转。
一个时间片大小，取决于滴答定时器中断周期。
没有用完的时间片不会再使用，下次任务Task3得到执行还是按照一个时间片的时钟节拍运行。

任务状态

FreeRTOS中任务共存在4种状态：

• 运行态：正在执行的任务，该任务处于运行态，注意在STM32中，同一个时间仅一个任务处于运行态。
• 就绪态：如果该任务已经能够被执行，但当前还未被执行，那么该任务处于就绪态。
• 阻塞态：任务因延时或等待外部事件发生，那么这个任务就处于阻塞态。
• 挂起态：类似暂停，调度函数vTaskSuspend()进入挂起态，需要调用解挂函数vTaskResume()才可以进入就绪态。

• 仅就绪态可以转变成运行态。

系统配置文件详解

FreeRTOSConfig.h配置文件作用：对FreeRTOS进行功能配置和裁剪，以及API函数使能。
相关宏可分为三类：

• INCLUDE：配置FreeRTOS可选的API函数
• config：完成FreeRTOS的功能配置和裁剪
• 其它配置项：PendSV宏定义、SVC宏定义（宏定义给Port.c调用）

#define configUSE_PREEMPTION					1                       //1使用抢占式内核，0使用协程
#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION	1                       //1启用特殊方法来选择下一个要运行的任务，1：使用硬件计算下一个要运行的任务（使用特殊方法，STM32支持，任务优先级的最大值有限制32（0~31））。0：使用软件算法计算下一个要运行的任务（通用方式，不限制优先级的最大值，效率较低）
#define configUSE_TICKLESS_IDLE					0                       //1启用低功耗tickless模式
#define configCPU_CLOCK_HZ						(SystemCoreClock)       //CPU频率

#define configIDLE_SHOULD_YIELD					1                       //为1时空闲任务放弃CPU使用权给其他同优先级的用户任务
#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS            1                       //为1时开启任务通知功能，默认开启

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS与内存申请有关配置选项                                                */
/***************************************************************************************************************/
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION        1                       //支持动态内存申请
#define configTOTAL_HEAP_SIZE					((size_t)(20*1024))     //系统所有总的堆大小


/*                                FreeRTOS与钩子函数有关的配置选项                                              */
/***************************************************************************************************************/
#define configUSE_IDLE_HOOK						0                       //1，使用空闲钩子；0，不使用
#define configUSE_TICK_HOOK						0                       //1，使用时间片钩子；0，不使用

FreeRTOS学习笔记1—FreeRTOS移植

1. 新建完整的可以点亮LED灯的工程

2.添加FreeRTOS源码

• 2.1 .将FreeRTOS的源码拷贝到新建工程的FreeRTOS的文件加下

 

• 2.2.Protable文件下只保留Keil、MemMang、RVDS三个文件夹，其余的全部删除

• 2.3.在keil工程新建FreeRTOS_CORE、FreeRTOS_PORTABLE两个分组，分别添加如下图所示的文件

• 2.4.添加头文件路径，如下图所示

• 添加头文件FreeRTOSConfig.h，在…\\FreeRTOSv10.4.1\\FreeRTOS\\Demo\\CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK路径下把FreeRTOSConfig.h拷贝到工程中，位置自定义，本文将其移植到… \\FreeRTOS\\User路径下。

到此为止，我们已经将FreeRTOS的源码添加完毕，接下来我们开始编译修改

3.修改文件编译

• 3.1.将FreeRTOSConfig.h中

#ifdef __ICCARM__
  #include <stdint.h>
  extern uint32_t SystemCoreClock;
#endif

修改为：

#if defined(__ICCARM__)||defined(__CC_ARM) ||defined(__GNUC__)
  #include <stdint.h>
  extern uint32_t SystemCoreClock;
#endif

 

• 3.2.将stm32f4xx_it.c中的void SVC_Handler(void)、void PendSV_Handler(void)、void SysTick_Handler(void)三个函数屏蔽，因为在port.c中也定义了这三个函数；
• 3.3.将FreeRTOSConfig.h中的configUSE_IDLE_HOOK、configUSE_TICK_HOOK、configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW、configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK四个钩子函数启用的宏定义为0，至此编译应该为0 Error(s), 0 Warning(s)，如有错误在仔细检查

 

4.新建实验任务，验证移植情况

//任务优先级
#define START_TASK_PRIO		1
//任务堆栈大小	
#define START_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define LED0_TASK_PRIO		2
//任务堆栈大小	
#define LED0_STK_SIZE 		50  
//任务句柄
TaskHandle_t LED0Task_Handler;
//任务函数
void led0_task(void *pvParameters);

//任务优先级
#define LED1_TASK_PRIO		3
//任务堆栈大小	
#define LED1_STK_SIZE 		50  
//任务句柄
TaskHandle_t LED1Task_Handler;
//任务函数
void led1_task(void *pvParameters);


//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)

    taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
    //创建LED0任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )led0_task,     	
                (const char*    )"led0_task",   	
                (uint16_t       )LED0_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,				
                (UBaseType_t    )LED0_TASK_PRIO,	
                (TaskHandle_t*  )&LED0Task_Handler);   
    //创建LED1任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )led1_task,     
                (const char*    )"led1_task",   
                (uint16_t       )LED1_STK_SIZE, 
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )LED1_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&LED1Task_Handler);        
                
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
    taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区



//LED0任务函数 
void led0_task(void *pvParameters)

    while(1)
    
        Led_State_Set(LED_Gren,LED_ON);	
        vTaskDelay(500);
        Led_State_Set(LED_Gren,LED_OFF);	
        vTaskDelay(500);
        
    
   

//LED1任务函数
void led1_task(void *pvParameters)

    while(1)
    
        
        vTaskDelay(200);
        Led_State_Set(LED_Blue,LED_ON);
        vTaskDelay(800);
        Led_State_Set(LED_Blue,LED_OFF);
    

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @param  None
  * @retval int
  */
  
int main(void)

    /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick*/
    HAL_Init();

    /* Configure the system clock */
    SystemClock_Config();

    Led_Port_Init();
    
    //创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数
                (const char*    )"start_task",          //任务名称
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小
                (void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              
    vTaskStartScheduler();          //开启任务调度