开启新篇章，其实是选修嵌入式课程正好学到FreeRTOS
FreeRTOS 开发 —— 基于STM32F429
- 相关例程可以在本代码库中找到（https://github.com/yosoroQ/FreeRTOS_STM32F429）
开发板型号
ALIENTEK STM32F429
- 淘宝链接：https://my5353.com/RVMdS
- 稍贵，建议闲鱼，或者用韦东山STM32F103最小板HAL-RTOS瑞士军刀（https://goo.su/iGgD）来学习FreeRTOS，相对便宜点。
00_初识 FreeRTOS
- RTOS 全称是 Real Time Operating System。
- 中文名就是实时操作系统。
- 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。
- 像 FreeRTOS 这种传统的 RTOS 类操作系统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。
FreeRTOS 特点
FreeRTOS 是一个可裁剪的小型 RTOS 系统，其特点包括：
- FreeRTOS 的内核支持抢占式，合作式和时间片调度。
- 提供了一个用于低功耗的 Tickless 模式。
- 系统的组件在创建时可以选择动态或者静态的 RAM，比如任务、消息队列、信号量、软件定时器等等。
- FreeRTOS 系统简单、小巧、易用，通常情况下内核占用 4k-9k 字节的空间。
- 高可移植性，代码主要 C 语言编写。
- 支持实时任务和协程（co-routines 也有称为合作式、协同程序）。
- 任务与任务、任务与中断之间可以使用任务通知、消息队列、二值信号量、数值型信号量、递归互斥信号量和互斥信号量进行通信和同步。
- 具有优先级继承特性的互斥信号量。
- 高效的软件定时器。
- 强大的跟踪执行功能。
- 堆栈溢出检测功能。
- 任务数量不限。
- 任务优先级不限。
FreeRTOS文档
- FreeRTOS的官网：https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s/index.html
查看 FreeRTOS 所支持的 MCU
FreeRTOS官方文档
FreeRTOS 源码初探
- 下载FreeRTOS源码：https://www.freertos.org/zh-cn-cmn-s/a00104.html
FreeRTOS 文件预览
- 下载版本为
FreeRTOS 202212.01
打开FreeRTOS文件夹
- 有三个文件夹，Demo、License 和 Source。
Demo 文件夹
- Demo 文件夹里面就是 FreeRTOS 的相关例程。
- FreeRTOS 针对不同的 MCU 提供了非常多的 Demo，其中就有 ST 的 F1、F4 和F7 的相关例程。
- 我们在移植的时候就会参考这些例程，虽然我们用的 STM32F429 的芯片，但是是可以用 F407 的工程的，因为他们都是 Cortem-M4F 的内核。
License 文件夹
- 这个文件夹里面就是相关的许可信息。
Source 文件夹
- FreeRTOS 的源码文件。
include 文件夹是一些头文件，移植的时候是需要的，下面的这些.C文件就是 FreeRTOS 的源码文件了，移植的时候肯定也是需要的。- 软件到硬件中间必须有一个桥梁，portable 文件夹里面的东西就是FreeRTOS系统和具体的硬件之间的连接桥梁！
- 不同的编译环境，不同的 MCU，其桥梁应该是不同的，打开 portable 文件夹：
- FreeRTOS 针对不同的编译环境和 MCU 都有不同的“桥梁”。
- 我们这里就以 MDK 编译环境下的 STM32F429 为例。
- MemMang 这个文件夹是跟内存管理相关的，我们移植的时候是必须的。
- Keil 文件夹里面的东西肯定也是必须的，但是我们打开Keil文件夹以后里面只有一个文件：See-also-the-RVDS-directory.txt。
- 这个 txt 文件是什么鬼？意思就是参考 RVDS文件夹里面的东西。
- RVDS 文件夹针对不同的架构的 MCU 做了详细的分类，STM32F429 就参考 ARM_CM4F，打开 ARM_CM4F 文件夹：
- ARM_CM4F 有两个文件，这两个文件就是我们移植的时候所需要的！
FreeRTOS-Plus 文件夹
- FreeRTOS-Plus 中的源码其实并不是 FreeRTOS 系统的源码，是在这个 FreeRTOS系统上另外增加的一些功能代码，比如 CLI、FAT、Trace等。
- 就系统本身而言，和 FreeRTOS里面的一模一样的，所以我们如果只是学习 FreeRTOS 这个系统的话，FreeRTOS-Plus 就没必要看了。
01_FreeRTOS 移植
准备工作
- 用基础例程中的跑马灯实验来作为基础工程。
FreeRTOS 移植
向工程中添加相应文件
- 添加 FreeRTOS 源码
- 在基础工程中新建一个名为 FreeRTOS 的文件夹，并将将 FreeRTOS 的源码添加到这个文件夹中。
portable文件夹
- 在portable文件夹中，我们只需要留下 keil、MemMang 和RVDS这三个文件夹，其他的都可以删除掉。
修改工程名称和新建分组
向工程分组中添加文件
- 打开基础工程，新建分组FreeRTOS_CORE和FreeRTOS_PORTABLE，然后向这两个分组中添加文件：
- 分组FreeRTOS_CORE中的文件在FreeRTOS源码目录中。
- FreeRTOS_PORTABLE分组中的port.c 是 RVDS 文件夹下的ARM_CM4F中的文件，因为STM32F429是 Cortex-M4 内核并且带有 FPU，因此要选择 ARM_CM4F 中的 port.c 文件。
- heap_4.c 是 MemMang 文件夹中的，前面说了 MemMang 是跟
内存管理相关的，里面有 5 个 c 文件：heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c 和 heap_5.c，这5 个.c文件是五种不同的内存管理方法。 - 这 5 个文件都可以用来作为 FreeRTOS 的内存管理文件，只是它们的实现原理不同，各有利弊。
- 这里我们选择heap_4.c。
添加相应的头文件路径
- 添加完 FreeRTOS 源码中的 C 文件以后还要添加 FreeRTOS 源码的头文件路径：
如果报错
- 如果报错请到源码中的DEMO文件夹中找到相对应缺失的文件。
- 如果提示打不开“FreeRTOSConfig.h”这个文件，打开FreeRTOS 针对 STM32F407 的移植工程文件，文件夹是CORTEX_M4F_STM32F407ZG-SK，并复制到FreeRTOS 源码中的include 文件夹下。
- FreeRTOSConfig.h是 FreeRTOS 的配置文件，一般的操作系统都有裁剪、配置功能，而这些裁剪及配置都是通过一个文件来完成的，基本都是通过宏定义来完成对系统的配置和裁剪的。
修改SYSTEM文件
修改sys.h文件
- sys.h 文件修改很简单，在 sys.h 文件里面用宏SYSTEM_SUPPORT_OS 来定义是否使用 OS，我们使用了 FreeRTOS，所以应该将宏SYSTEM_SUPPORT_OS 改为 1。
//0,不支持os
//1,支持os
#define SYSTEM_SUPPORT_OS 1 //定义系统文件夹是否支持OS修改usart.c文件
- usart.c 文件有两部分要修改，一个是添加 FreeRTOS.h 头文件，默认是添加的 uC/OS 中的 includes.h 头文件。
//如果使用os,则包括下面的头文件即可.
#if SYSTEM_SUPPORT_OS
#include "FreeRTOS.h" //os 使用
#endif- 另外一个就是 USART1 的中断服务函数，在使用 uC/OS 的时候进出中断的时候需要添加
OSIntEnter()和OSIntExit()，使用FreeRTOS 的话就不需要了，所以将这两行代码删除掉。
//串口1中断服务程序
void USART1_IRQHandler(void)
{
u32 timeout=0;
u32 maxDelay=0x1FFFF;
HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); //调用HAL库中断处理公用函数
timeout=0;
while (HAL_UART_GetState(&UART1_Handler) != HAL_UART_STATE_READY)//等待就绪
{
timeout++;////超时处理
if(timeout>maxDelay) break;
}
timeout=0;
while(HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, (u8 *)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE) != HAL_OK)//一次处理完成之后，重新开启中断并设置RxXferCount为1
{
timeout++; //超时处理
if(timeout>maxDelay) break;
}
} 修改 delay.c 文件
- delay.c 文件因为涉及到 FreeRTOS 的系统时钟，delay.c 文件里面有4个函数，先来看一下函数 SysTick_Handler()，此函数是滴答定时器的中断服务函数。
extern void xPortSysTickHandler(void);
//systick中断服务函数,使用OS时用到
void SysTick_Handler(void)
{
if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
{
xPortSysTickHandler();
}
HAL_IncTick();
}- FreeRTOS 的心跳就是由滴答定时器产生的，根据 FreeRTOS 的系统时钟节拍设置好滴答定时器的周期，这样就会周期触发滴答定时器中断了。
- 在滴答定时器中断服务函数中调用FreeRTOS 的 API 函数xPortSysTickHandler()，如果使用 HAL 库的话还需要调用 HAL 库中的函数 HAL_IncTick()！
- 因为 HAL 库中的延时是靠 HAL_IncTick()来完成的。delay_init()是用来初始化滴答定时器和延时函数。
//初始化延迟函数
//当使用ucos的时候,此函数会初始化ucos的时钟节拍
//SYSTICK的时钟固定为AHB时钟
//SYSCLK:系统时钟频率
void delay_init(u8 SYSCLK)
{
u32 reload;
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);//SysTick频率为HCLK
fac_us=SYSCLK; //不论是否使用OS,fac_us都需要使用
reload=SYSCLK; //每秒钟的计数次数 单位为K
reload*=1000000/configTICK_RATE_HZ; //根据configTICK_RATE_HZ设定溢出时间
//reload为24位寄存器,最大值:16777216,在180M下,约合0.745s左右
fac_ms=1000/configTICK_RATE_HZ; //代表OS可以延时的最少单位
SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;//开启SYSTICK中断
SysTick->LOAD=reload; //每1/configTICK_RATE_HZ断一次
SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk; //开启SYSTICK
} - 前面我们说了 FreeRTOS 的系统时钟是由滴答定时器提供的，那么肯定要根据 FreeRTOS 的系统时钟节拍来初始化滴答定时器了，delay_init()就是来完成这个功能的。
- FreeRTOS 的系统时钟节拍由宏 configTICK_RATE_HZ 来设置，这个值我们可以自由设置，但是一旦设置好以后我们就要根据这个值来初始化滴答定时器，其实就是设置滴答定时器的中断周期。
- 由于我们使用了 HAL 库，所以在设置滴答定时器的时候要照顾到 HAL 库，HAL 库里的延时函数要求滴答定时器周期为 1ms，因此FreeRTOS 的系统节拍应该设置为 1000HZ，也就是 1ms 的周期。
- 接下来的三个函数都是延时的：
//延时nus
//nus:要延时的us数.
//nus:0~190887435(最大值即2^32/fac_us@fac_us=22.5)
void delay_us(u32 nus)
{
u32 ticks;
u32 told,tnow,tcnt=0;
u32 reload=SysTick->LOAD; //LOAD的值
ticks=nus*fac_us; //需要的节拍数
told=SysTick->VAL; //刚进入时的计数器值
while(1)
{
tnow=SysTick->VAL;
if(tnow!=told)
{
if(tnow<told)tcnt+=told-tnow; //这里注意一下SYSTICK是一个递减的计数器就可以了.
else tcnt+=reload-tnow+told;
told=tnow;
if(tcnt>=ticks)break; //时间超过/等于要延迟的时间,则退出.
}
};
}
//延时nms,会引起任务调度
//nms:要延时的ms数
//nms:0~65535
void delay_ms(u32 nms)
{
if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行
{
if(nms>=fac_ms) //延时的时间大于OS的最少时间周期
{
vTaskDelay(nms/fac_ms); //FreeRTOS延时
}
nms%=fac_ms; //OS已经无法提供这么小的延时了,采用普通方式延时
}
delay_us((u32)(nms*1000)); //普通方式延时
}
//延时nms,不会引起任务调度
//nms:要延时的ms数
void delay_xms(u32 nms)
{
u32 i;
for(i=0;i<nms;i++) delay_us(1000);
}- delay_us()是 us 级延时函数，delay_ms 和 delay_xms()都是 ms 级的延时函数，delay_us()和delay_xms()不会导致任务切换。
- delay_ms()其实就是对 FreeRTOS 中的延时函数 vTaskDelay()的简单封装，所以在使用 delay_ms()的时候就会导致任务切换。
如果编译报错“有重复定义的函数”
- 如果 port.c 和 delay.c 中有重复定义的函数：SysTick_Handler()，那么二选一。
- 很明显 delay.c 中的 SysTick_Handler()得留下来，打开FreeRTOSConfig.h 文件，找到如下一个宏定义，并屏蔽掉此宏定义。
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler移植验证实验
实验设计
- 本实验设计四个任务：
start_task()、led0_task ()、led1_task ()和float_task()。 这四个任务的任务功能如下：
start_task()：用来创建其他三个任务。led0_task ()：控制 LED0 的闪烁，提示系统正在运行。led1_task ()：控制 LED1 的闪烁。float_task()：简单的浮点测试任务，用于测试 STM32F4 的FPU 是否工作正常。
实验程序（main.c）
- 测试代码中创建了 3 个任务：LED0 测试任务、LED1 测试任务和浮点测试任务。
- 它们的任务函数分别为：
led0_task()、led1_task()和float_task()。 led0_task()和led1_task()任务很简单，就是让 LED0 和 LED1 周期性闪烁。- 因为 STM32F429 支持 FPU，所以必须测试一下 FreeRTOS 是否也支持 FPU。
float_task()任务就是用来完成这个功能，定义一个 float 变量，然后每隔 1s 加0.01，并且通过串口打印出来。
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
//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);
//任务优先级
#define FLOAT_TASK_PRIO 4
//任务堆栈大小
#define FLOAT_STK_SIZE 128
//任务句柄
TaskHandle_t FLOATTask_Handler;
//任务函数
void float_task(void *pvParameters);
int main(void)
{
HAL_Init(); //初始化HAL库
Stm32_Clock_Init(360,25,2,8); //设置时钟,180Mhz
delay_init(180); //初始化延时函数
LED_Init(); //初始化LED
uart_init(115200); //初始化串口
//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
}
//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);
//浮点测试任务
xTaskCreate((TaskFunction_t )float_task,
(const char* )"float_task",
(uint16_t )FLOAT_STK_SIZE,
(void* )NULL,
(UBaseType_t )FLOAT_TASK_PRIO,
(TaskHandle_t* )&FLOATTask_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)
{
LED0=~LED0;
vTaskDelay(500);
}
}
//LED1任务函数
void led1_task(void *pvParameters)
{
while(1)
{
LED1=0;
vTaskDelay(200);
LED1=1;
vTaskDelay(800);
}
}
//浮点测试任务
void float_task(void *pvParameters)
{
static float float_num=0.00;
while(1)
{
float_num+=0.01f;
printf("float_num的值为: %.4f\r\n",float_num);
vTaskDelay(1000);
}
}实验程序运行结果分析
- 请先给STM32供电！
- 没有驱动装驱动！
选择调试器ST-Link
测试运行
- 编译并下载代码到 STM32F429 开发板中，下载进去以后会看到 LED0 和 LED1 开始闪烁，LED0 均匀闪烁，那是因为我们在 LED0 的任务代码中设置好的 LED0 亮 500ms，灭 500ms。
- LED1 亮的时间短，灭的时间长，这是因为在 LED1 的任务代码中设置好的亮 200ms，灭 800ms。
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