CMSIS_RTOS学习笔记（一）

最近在学习CMSIS_RTOS，发现网上系统的中文教程很少，遂计划写个系列博客记录下，方便以后查阅，主要将ARM官方的《CMSIS_RTOS_Tutorial》文档进行了翻译和整理。

什么是CMSIS_RTOS

咱先解释下什么是CMSIS，ARM Cortex™ 微控制器软件接口标准(CMSIS：Cortex Microcontroller Software Interface Standard) 是 Cortex-M 处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。多家芯片供应商均采用ARM的处理器，而不同的芯片供应商制作出的芯片的外设却是不同的，CMSIS提供了一种在外设和芯片之间一致的接口，简化了软件的开发和开发人员的学习成本。而CMSIS_RTOS则为提供的，对操作系统层次的统一接口。目前，应用于嵌入式开发的操作系统种类繁多，比如火热的FreeRTOS，Keil自带的RTX操作系统等，而CMSIS_RTOS则是对各类操作系统提供了统一的接口，提供了操作系统的API，如此一来，大家可以按自己的需要选择所合适的操作系统，只要统一使用CMSIS作为接口标准，那么就可以很容易的读懂其他工程师用别的操作系统所写的程序，不用再费心思去学另一个操作系统的函数接口之类的。这使得不同操作系统间的移植变的容易，整合应用CMSIS_RTOS标准下的不同操作系统，将只需要修改有限的配置文件就行了。

环境需求

是不是得手头上有块单片机，才能学习CMSIS_RTOS呢？
答案是否定的，你只需要有一个Keil IDE就足够了，Keil自带的仿真功能完全满足了我们的学习需求。笔者是参照官方文档，在STM32F103RB的平台上学习的，大部分人应该也都安装过STM32F1系列的固件库，没有也没关系，下面给出下载的链接，同样，你也可以选择在其他型号的平台上进行学习。
固件库下载链接：https://www.keil.com/dd2/Pack/
CMSIS_RTOS官方例程下载链接：https://www.keil.com/boards2/hitex/cmsis_rtos_tutorial/

总览

上图截选自官方文档，我觉得操作系统就像一个大管家，起到了调度资源的作用：
1、任务管理，利用操作系统可以很方便的规划任务的优先级，同样这种各任务分块化的结构，对于调试也非常方便，相对于裸机，更容易定位到问题所在。
2、线程间的通讯，利用信号量，事件，邮箱等机制，可以很方便的进行任务间的信息交互和同步。
3、可以方便的进行时间管理和内存管理。
这也是用了操作系统后，就很难再乐意回去在裸机写程序的原因吧。。。

CMSIS_RTOS中的任务管理——Thread

首先，让我们先跑起来一个最最最最最简单的CMSIS_RTOS的程序

打开keil，新建一个项目，选择你的芯片，这儿采用STM32F103RB。

点击OK，在接下来的配置中，把Keil RTX勾上，RTX是keil自带的一款操作系统，在RTX上把CMSIS的一些KPI走通后，换FREERTOS之类的其他操作系统，所需要的改动是很小的。

点击，右下的Resolve，你会发现黄条变绿，再点击ok，生成了相应的工程。
在左侧生产的文件中，我们可以用左下角的Configuration Wizard，方便的进行相关配置。
比如，下图就是对RTX的一些配置，可以改一些堆栈大小之类的。
接下来我们在左侧项目工程中添加新文件

这儿我们选择最后的用户模板，依次添加第一行的main模板和第七行的thread模板。
这样我们就愉快的左侧得到了两个新文件，main.c和Thread.c，
我们将Thread.c中的初始化函数在main.c中引用，代码如下：

#define osObjectsPublic                     // define objects in main module
#include "osObjects.h"                      // RTOS object definitions

extern int Init_Thread (void);            //需要添加的
/*
 * main: initialize and start the system
 */
int main (void) {
  osKernelInitialize ();                    // initialize CMSIS-RTOS

  // initialize peripherals here
	Init_Thread ();                             //需要添加的
  // create 'thread' functions that start executing,
  // example: tid_name = osThreadCreate (osThread(name), NULL);

  osKernelStart ();                         // start thread execution 
}

好了，最简单的一个操作系统应用程序就搭建好了，是不是急着想去跑一下了？
别急，还有最后一步，我们手头没有板子，所以需要做一些仿真的配置。
点击离编译按钮左侧不远处的魔法棒，在Debug选项块进行红圈内的更改。

大功告成！ctrl+f5 debug走起！
在Debug选项中，添加OS Support的System and Thread Viewer便能看到在跑的线程，如下图。当我们按下run，会发现main线程消失，我们自个儿定义的Thread代替了main，开始活跃的奔跑，这儿就不放图了。

好了，这是个很简单的工程，只是让我们快一点感受到操作系统的美妙~
接下来让我们进入到任务管理的学习！

Thread管理

概念

裸机程序中，如果有不同的任务块，那么我们将这些任务块都写在一个大的while循环里，再用定时器确定时间间隔，按照轮询的方式，去执行这些任务。然而，这种轮询的方式，无法保证任务之间的优先级，比如想要执行高优先级任务，也只能老老实实等高优先级任务前的低优先级任务跑完，才轮到高优先级，无法直接打断低优先级任务。任务就像是排着队一个个执行一样。
而操作系统中，可以把各任务看成是一个个并行的线程，也就是Thread，虽然同一时刻实际上只执行某一个任务，但因为cpu处理的速度极快，再加上各任务都是有执行的周期间隔的，大部分情况下，可以看成是各任务是并行的。
任务可大致分为三种状态（任务挂起也可以看成是一种状态，但我觉得可以等同于wait）：
Running：运行状态，表明正在执行该任务；
Ready：就绪状态，万事俱备，只欠cpu，就等着cpu释放资源从而进入运行态；
Wait：阻塞状态，等待某些条件来进入就绪状态，比如 等待某个事件发生之类的。
同优先级的Thread会先轮到谁就运行谁，而高优先级的Thread可以打断低优先级的任务。如下图T4打断T3。

Thread相关KPI

一个Thread的创建，可以分成四步
我们拿创建一个Led灯闪烁的Thread来说明

osThreadId LED_TaskHandle; //创建一个thread handle
void LEDTask(void const * argument); //创建对应的function prototype 
osThreadDef(LEDTask, osPriorityNormal, 1, 0); //配置相关thread属性
LED_TaskHandle= osThreadCreate (osThread(LEDTask), NULL);//创建thread

接下来我们来挨个看这四步操作。
第一步，创建一个thread的句柄，没啥好说的。
第二步，声明一个thread的函数，这个函数是可以传参数进去的，这个结合后两步说。
第三步，配置thread的属性，这步的参数就多了，首先，
1）第一个参数，是配置thread的任务函数，也就是说thread跑的内容是在所配置的函数里跑的，这个任务函数也就是我们第二步所声明的函数。
2）第二个参数，是配置优先级，直接右键go to definition，可以很方便的看到别的优先级，按需求给你的thread合适的优先级。
3）第三个参数，是instance数，即实例数目，一般来说，都是1，也就是说你这个线程任务只对应一个线程，但也有存在对应多个实例的情况。比如说，我现在有两个LED灯，我想用两个线程来控制这两个灯闪烁，这两个线程的函数基本相同，只是灯的接口不同，那么我们可以用同一个thread模板，配置两个thread，这种情况下参数可以设置为2。
4）第四个参数，分配的stack大小，即分配的内存大小，0的话表示默认参数，在对应congfig配置文件中更改，也可以直接设置128，256，1024…之类的，自由分配内存的大小。
5）有的osThreadDef可能有第五个参数，线程名，开发的时候右键跳到头文件里去查看，根据实际要求配置一下就好了。
第四步，创建thread，第二个参数为传入参数，一般而言为NULL；如果在第三步中第三个参数不是1，配置了多个实例，则此处第二个参数可以传进去作为区别。

接下来放一段多个instance的thread创建代码，作用为创建两个led灯的函数。

osThreadId LED1_TaskHandle；
osThreadId LED2_TaskHandle；
void LEDTask(void const * argument)
{
	for (;;) 
	{
		LED_On((uint32_t)argument);              //根据argument区别所控制的LED            
		delay(500);
		LED_Off((uint32_t)argument);
		delay(500);
	}
}
osThreadDef(LEDTask, osPriorityNormal, 2, 128);    //实例2，内存分配128
main
{
	osKernelInitialize ();                    //初始化
	LED_Initialize();							//这个不具体写了，表示相关的初始化，LEDTask中的LED_On和Off也没具体列出，意思到了就行
	LED1_TaskHandleosThreadCreate(osThread(LEDTask),(void *) 1UL);  //创建第一个实例 控制LED1
	LED1_TaskHandleosThreadCreate(osThread(LEDTask),(void *) 2UL);  //创建第二个实例 控制LED2
	osKernelStart ();                         // 开启内核
	while(1);
}

其余会用到的KPI有：
osPriority osThreadGetPriority(threadID); //获取线程优先级
osStatus osThreadSetPriority(threadID, priority); //设定线程优先级
osStatus = osThreadTerminate (threadID1); //删除线程

Thread的基础介绍到此就结束了。
接下来，我们将去探索CMSIS_RTOS中的时间管理。

参考资料：《CMSIS_RTOS_Tutorial》