【FreeRTOS学习01】CubeIDE快速整合FreeRTOS创建第一个任务

整个专栏主要是博主结合自身对FreeRTOS的实战学习以及源码分析,基于STM32F767 Nucleo-144平台,在CubeIDE下进行开发,结合官方的HAL库,将硬件环节的问题减少到最小,将精力主要放在RTOS的学习上.

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1 FreeRTOS

FreeRTOS是免费的嵌入式实时系统,可以访问官网,至少目前是免费,并且社区相当活跃,但是以后会不会被割韭菜就不清楚了,所以感觉还是支持国产比较好,大家可以参考一下RT-Thread；

1.1 获取源码

我们可以登陆到官网下载源码的压缩包,如下图所示；

FreeRTOS还将源码托管到github上,登陆官网可以看到下图的两个仓库；

• FreeRTOS-Kernel:这个仓库是RTOS最核心的东西,很纯净,包括调度算法,信号量,内存管理等等,它同时作为一个子模块存在于FreeRTOS仓库中；
• FreeRTOS:这个仓库是比较全的源码,除了核心的部分,还包括对各个芯片平台的支持以及各个主流IDE的demo,因此如果要移植的话,主要还是下载这个源码；

但是本文暂不会介绍如何移植RTOS,在远古时期,因为第三方的支持力度不够,因此有一些平台只能自己移植,现在第三方的支持相当于给力,直接拿来用即可.

1.2 源码结构

自动生成的代码中找到FreeRTOS的源码如下；





对于相应的文件夹和源码文件做一下介绍；

• CMSIS_RTOS_V2:这是API的版本,对应的还有CMSIS_RTOS_V1；
• portable:这里主要是移植的时候需要修改的一些文件,针对不同的MCU以及不同的编译器,需要对这块进行修改；
  • portmacro.h:定义编译器相关的数据类型和中断处理的宏定义;
  • port.c:实现任务的堆栈初始化、systick和任务上下文切换；
• MemMang:内存管理的文件,目前主要用heap_1.c,heap_2.c,heap_3.c,heap_4.c,heap_5.c；
• list.c:双向链表的实现，主要供给内核调度器使用；
• queue.c: 队列的实现，主要支持中断环境和信号量控制；
• croutine.c :任务使用同一个堆栈，这样使得减小RAM的使用，但是在使用上会受到相当大的限制；
• task.c:每个任务都有各自的独立堆栈，支持完全的抢占式调度；

2 CubeMX 整合 RTOS

1. 在配置工程的时候或者打开后缀名为.ioc的cubemx配置文件；
2. 点击菜单栏Pinout&Configuration；
3. 点击Middleware选择FREERTOS；

具体如下图所示；

最终生成的文件结构如下图所示；

这时候已经将FreeRTOS集成到工程中了，*****,简直不能再方便了；

3 新建RTOS任务

直接生成的工程中,系统已经创建好了一个任务StartDefaultTask;
整体的main.c代码如下；

#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"

/* Definitions for defaultTask */
osThreadId_t defaultTaskHandle;
const osThreadAttr_t defaultTask_attributes = {
  .name = "defaultTask",
  .priority = (osPriority_t) osPriorityNormal,
  .stack_size = 128 * 4
};

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
void StartDefaultTask(void *argument);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  
  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init();

  osKernelInitialize();

  defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);
  /* Start scheduler */
  osKernelStart();
  /* We should never get here as control is now taken by the scheduler */
  while (1)
  {

  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage 
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE3);
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}
static void MX_GPIO_Init(void)
{

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

}
void StartDefaultTask(void *argument)
{
  for(;;)
  {
    osDelay(1);
  }
}

void Error_Handler(void)
{

}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 

}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

这里可以看到整体的流程为两部分HAL层和OS层；

HAL：

• 硬件初始化 HAL_Init；
• 时钟配置 SystemClock_Config；
• BSP初始化 MX_GPIO_Init；

OS：

• 内核初始化 osKernelInitialize；
• 创建任务/线程 osThreadNew；
• 任务调度 osKernelStart

整体流程图如下所示；

Created with Raphaël 2.2.0 开始 HAL_Init SystemClock_Config BSP_Init osKernelInitialize osThreadNew osKernelStart 结束

从OS的设计上来讲，`Thread`拥有自己的`id`，并且可以分配`timer` 并且拥有一个类似线程的任务函数或者称为任务回调函数(可能不太严谨,下面统一称之为任务回调函数),因此这里定义一个FreeRTOS任务需要三点；

1. osThreadId_t defaultTaskHandle;定义一个变量,后面创建任务会分配一个id作为该任务的唯一标识符/身份证；
2. osThreadAttr_t defaultTask_attributes;作为定义一个任务时的参数,包括任务的优先级,所需要分配的栈空间大小.以及任务的名字等等；具体结构体osThreadAttr_t如下所示；

typedef struct {
  const char                   *name;   ///< name of the thread
  uint32_t                 attr_bits;   ///< attribute bits
  void                      *cb_mem;    ///< memory for control block
  uint32_t                   cb_size;   ///< size of provided memory for control block
  void                   *stack_mem;    ///< memory for stack
  uint32_t                stack_size;   ///< size of stack
  osPriority_t              priority;   ///< initial thread priority (default: osPriorityNormal)
  TZ_ModuleId_t            tz_module;   ///< TrustZone module identifier
  uint32_t                  reserved;   ///< reserved (must be 0)
} osThreadAttr_t;

3. 创建任务回调函数,这里有一个生命周期的问题,通常在任务中放一个死循环，以便于任务保持存活，可以被一直调度；

void StartDefaultTask(void *argument)
{
  	for(;;)
  	{
    	osDelay(1);
  	}
}

最后,调用osThreadNew创建任务；该函数声明如下所示；

osThreadId_t osThreadNew (	osThreadFunc_t func, 
							void *argument, 
							const osThreadAttr_t *attr);

4 总结

通过cube自动生成了一个FREERTOS工程,简单分析了一下如何创建一个任务,后续需要在实践中深入到源码中学习FreeRTOS；