FreeRTOS第1天：freertos介绍及移植、任务的创建与删除、队列
1. 课程视频（375.1）
- 此教程不会讲过多理论，以动手实操为主，解决大伙学了半天 FreeRTOS 操作系统不知道干什么的问题。
为什么要学 FreeRTOS ？
- 更有钱途！！
- 只会祼机开发的单片机工程师，薪资注定不会高于会 FreeRTOS 的工程师；
- 有了 FreeRTOS 基础，对于将来学习 Linux 操作系统会更加有帮助；
如何学好 FreeRTOS ？
- 无它，多写代码，多做项目！
- 一定要把本课程里所有项目全部自己动手做一遍，加深理解。光看不练假把式！！
学习本课程前置要求
- C 语言熟练；
- 上官二号课程一定要好好学一遍，本课程依然基于上官二号。
2. FreeRTOS介绍（376.2）
什么是 FreeRTOS ？
- Free 即免费的，RTOS 的全称是 Real time operating system，中文就是实时操作系统。
- 注意：RTOS 不是指某一个确定的系统，而是指一类操作系统。比如：uc/OS，FreeRTOS，RTX，RT-Thread 等这些都是 RTOS 类操作系统。
FreeRTOS 是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满
足较小系统的需要。 由于 RTOS 需占用一定的系统资源(尤其是 RAM 资源)，只有 μC/OS-II、
embOS、salvo、FreeRTOS 等少数实时操作系统能在小 RAM 单片机上运行。相对 μC/OS-II、embOS 等商业操作系统，FreeRTOS 操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为 10.4.4 版。
为什么选择 FreeRTOS ?
- FreeRTOS 是免费的；
- 很多半导体厂商产品的 SDK（Software Development Kit）软件开发工具包，就使用 FreeRTOS 作为其操作系统，尤其是 WIFI、蓝牙这些带有协议栈的芯片或模块。
- 简单，因为 FreeRTOS 的文件数量很少。
FreeRTOS 资料与源码下载
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祼机开发与 FreeRTOS
- 众所周知，游戏与女朋友不可兼得！
- 祼机开发：
- 玩游戏，结果女朋友生气，分手！
- 陪女朋友，无法玩游戏，抑郁症！
- FreeRTOS：
- 玩1秒游戏 – 陪1秒女朋友 – 玩1秒游戏 – 陪1秒女朋友 – 玩1秒游戏 – 陪1秒女朋友 …（累死……）
- 但 CPU 是个无情的战斗机器，可以快速在两个乃至多个任务间快速切换，并且不觉得劳累，实现二者兼顾。
- FreeRTOS 实现多任务的原理
- 严格来说 FreeRTOS 并不是实时操作系统，因为它是分时复用的。
- 系统将时间分割成很多时间片，然后轮流执行各个任务。
- 每个任务都是独立运行的，互不影响，由于切换的频率很快，就感觉像是同时运行的一样。
3. 移植FreeRTOS到上官一号平台（377.3）
手动移植
- 过程复杂且繁琐，对新手不友好。如有需要手动移植，可参照以下文章：FreeRTOS移植到STM32教程
使用CubeMX快速移植
快速移植流程
- 在 SYS 选项里，将 Debug 设为 Serial Wire ，并且将 Timebase Source 设为 TIM2 （其它定时器也行）。为何要如此配置？下文解说。
- 将 RCC 里的 HSE 设置为 Crystal/Ceramic Resonator 。
- 时钟按下图配置
- 选择 FREERTOS 选项，并将 Interface 改为 CMSIS_V1 。V1 和 V2 有啥区别？下文解释。
- 配置项目信息，并导出代码。
一些常见问题
- Timebase Source 为什么不能设置为 SysTick ?
- 裸机的时钟源默认是 SysTick，但是开启 FreeRTOS 后，FreeRTOS 会占用 SysTick （用来生成 1ms 定时，用于任务调度），所以需要需要为其他总线提供另外的时钟源。
- FreeRTOS 版本问题
- V2 的内核版本更高，功能更多，在大多数情况下 V1 版本的内核完全够用。
- FreeRTOS 各配置选项卡的解释
- Events：事件相关的创建
- Task and Queues： 任务与队列的创建
- Timers and Semaphores： 定时器和信号量的创建
- Mutexes： 互斥量的创建
- FreeRTOS Heap Usage： 用于查看堆使用情况
- config parameters： 内核参数设置，用户根据自己的实际应用来裁剪定制 FreeRTOS 内核
- Include parameters： FreeRTOS 部分函数的使能
- User Constants： 相关宏的定义，可以自建一些常量在工程中使用
- Advanced settings：高级设置
- 内核配置、函数使能的一些翻译
- 内核参数的理解内容非常多，可以参考以下文章：FreeRTOS 内核配置说明
4. （补充）模板工程打开串口（378.3）
- 打开串口1
- 打开 “Use MicroLIB”
- 添加代码（1.muban）
5. 任务的创建与删除（理论）（379.4）
1. 什么是任务？
- 任务可以理解为进程/线程，创建一个任务，就会在内存开辟一个空间。
- 比如：
- 玩游戏、陪女朋友，都可以视为任务
- Windows 系统中的 MarkText 、谷歌浏览器、记事本，都是任务。
- 任务通常都含有 while(1) 死循环。
2. 任务创建与删除相关函数
- 任务创建与删除相关函数有如下三个：
- 任务动态创建与静态创建的区别：
- 动态创建任务的堆栈由系统分配，而静态创建任务的堆栈由用户自己传递。
- 通常情况下使用动态方式创建任务。
- xTaskCreate 函数原型
- pvTaskCode：指向任务函数的指针，任务必须实现为永不返回（即连续循环）；
- pcName：任务的名字，主要是用来调试，默认情况下最大长度是16；
- pvParameters：指定的任务栈的大小；
- uxPriority：任务优先级，数值越大，优先级越大；
- pxCreatedTask：用于返回已创建任务的句柄可以被引用。
- 官方案例：
/* Task to be created. */
void vTaskCode( void * pvParameters )
{
/* The parameter value is expected to be 1 as 1 is passed in the
pvParameters value in the call to xTaskCreate() below.
configASSERT( ( ( uint32_t ) pvParameters ) == 1 );
for( ;; )
{
/* Task code goes here. */
}
}
/* Function that creates a task. */
void vOtherFunction( void )
{
BaseType_t xReturned;
TaskHandle_t xHandle = NULL;
/* Create the task, storing the handle. */
xReturned = xTaskCreate(
vTaskCode, /* Function that implements the task. */
"NAME", /* Text name for the task. */
STACK_SIZE, /* Stack size in words, not bytes. */
( void * ) 1, /* Parameter passed into the task. */
tskIDLE_PRIORITY,/* Priority at which the task is created. */
&xHandle ); /* Used to pass out the created task's handle. */
if( xReturned == pdPASS )
{
/* The task was created. Use the task's handle to delete the task. */
vTaskDelete( xHandle );
}
}
- vTaskDelete 函数原型
void vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);
- 只需将待删除的任务句柄传入该函数，即可将该任务删除。
- 当传入的参数为NULL，则代表删除任务自身（当前正在运行的任务）。
6. 任务的创建与删除（实操）（380.5）
- 基于1.muban
- 代码（2.task_test）（实现一闪一闪，且LED1闪的更快）
//freertos.c
/* USER CODE END Header_StartTaskLED1 */
void StartTaskLED1(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartTaskLED1 */
/* Infinite loop */
for(;;)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_8);
osDelay(500);
}
/* USER CODE END StartTaskLED1 */
}
/* USER CODE END Header_StartTaskLED2 */
void StartTaskLED2(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartTaskLED2 */
/* Infinite loop */
for(;;)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_9);
osDelay(1000);
}
/* USER CODE END StartTaskLED2 */
}
7. 任务调度简介（381.6）
什么是任务调度？
- 调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的哪个任务。
- FreeRTOS 中开启任务调度的函数是 vTaskStartScheduler() ，但在 CubeMX 中被封装为
osKernelStart() 。
FreeRTOS的任务调度规则是怎样的？
- FreeRTOS 是一个实时操作系统，它所奉行的调度规则：
- 高优先级抢占低优先级任务，系统永远执行最高优先级的任务（即抢占式调度）
- 同等优先级的任务轮转调度（即时间片调度）
- 还有一种调度规则是协程式调度，但官方已明确表示不更新，主要是用在小容量的芯片上，用得也不多。
抢占式调度运行过程
- Task 1：玩游戏
- Task 2：老妈喊你吃饭
- Task 3：女朋友喊你看电视
- 总结：
- 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
时间片调度运行过程
- 总结：
- 同等优先级任务，轮流执行，时间片流转；
- 一个时间片大小，取决为滴答定时器中断周期（1ms）；
- 注意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
8. 任务状态及互相转换（382.7）
FreeRTOS中任务共存在4种状态：
- Running 运行态
- 当任务处于实际运行状态称之为运行态，即 CPU 的使用权被这个任务占用（同一时间仅一个任务处于运行态）。
- Ready 就绪态
- 处于就绪态的任务是指那些能够运行（没有被阻塞和挂起），但是当前没有运行的任务，因为同优先级或更高优先级的任务正在运行。
- Blocked 阻塞态
- 如果一个任务因延时，或等待信号量、消息队列、事件标志组等而处于的状态被称之为阻塞态。
- Suspended 挂起态
- 类似暂停，通过调用函数 vTaskSuspend() 对指定任务进行挂起，挂起后这个任务将不被执行，只有调用函数 xTaskResume() 才可以将这个任务从挂起态恢复。
- 类似暂停，通过调用函数 vTaskSuspend() 对指定任务进行挂起，挂起后这个任务将不被执行，只有调用函数 xTaskResume() 才可以将这个任务从挂起态恢复。
- 总结：
- 仅就绪态可转变成运行态
- 其他状态的任务想运行，必须先转变成就绪态
9. 任务综合小实验（383.8）
实验需求
- 创建 4 个任务：taskLED1，taskLED2，taskKEY1，taskKEY2，任务要求如下：
- taskLED1：间隔 500ms 闪烁 LED1；
- taskLED2：间隔 1000ms 闪烁 LED2；
- taskKEY1：如果 taskLED1 存在，则按下 KEY1 后删除 taskLED1 ，否则创建 taskLED1；
- taskKEY2：如果 taskLED2 正常运行，则按下 KEY2 后挂起 taskLED2 ，否则恢复 taskLED2
cubemx配置
代码实现（基于2.task_test）
- 代码（3.tasks_test）
//freertos.c
void StartTaskKEY1(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartTaskKEY1 */
/* Infinite loop */
for(;;)
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
{
osDelay(20);
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)//按键消抖
{
printf("KEY1按下！\r\n");
if(taskLED1Handle == NULL)
{
printf("任务1不存在，准备创建任务1\r\n");
osThreadDef(taskLED1, StartTaskLED1, osPriorityNormal, 0, 128);
taskLED1Handle = osThreadCreate(osThread(taskLED1), NULL);
if(taskLED1Handle != NULL)
printf("任务1创建完成\r\n");
}
else
{
printf("删除任务1\r\n");
osThreadTerminate(taskLED1Handle);
taskLED1Handle = NULL;
}
}
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);//防止按下时多次一直打印
}
osDelay(10);
}
/* USER CODE END StartTaskKEY1 */
}
/* USER CODE END Header_StartTaskKEY2 */
void StartTaskKEY2(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartTaskKEY2 */
static int flag = 0;
/* Infinite loop */
for(;;)
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
{
osDelay(20);
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
{
printf("KEY2按下！\r\n");
if(flag == 0)
{
osThreadSuspend(taskLED2Handle);
printf("任务2已暂停\r\n");
flag = 1;
}
else
{
osThreadResume(taskLED2Handle);
printf("任务2已恢复\r\n");
flag = 0;
}
}
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);//防止按下时多次一直打印
}
osDelay(10);
}
/* USER CODE END StartTaskKEY2 */
}
10. 队列简介（384.9）
什么是队列？
- 队列又称消息队列，是一种常用于任务间通信的数据结构，队列可以在任务与任务间、中断和任务间传递信息。
- 为什么不使用全局变量？
- 如果使用全局变量，兔子（任务1）修改了变量 a ，等待树獭（任务3）处理，但树獭处理速度很慢，在处理
数据的过程中，狐狸（任务2）有可能又修改了变量 a ，导致树獭有可能得到的不是正确的数据。
- 如果使用全局变量，兔子（任务1）修改了变量 a ，等待树獭（任务3）处理，但树獭处理速度很慢，在处理
- 在这种情况下，就可以使用队列。兔子和狐狸产生的数据放在流水线上，树獭可以慢慢一个个依次处理。
- 关于队列的几个名词：
- 队列项目： 队列中的每一个数据；
- 队列长度： 队列能够存储队列项目的最大数量；
- 创建队列时，需要指定队列长度及队列项目大小。
队列特点
- 数据入队出队方式
- 通常采用先进先出（FIFO）的数据存储缓冲机制，即先入队的数据会先从队列中被读取。
- 也可以配置为后进先出（LIFO）方式，但用得比较少。
- 数据传递方式
- 采用实际值传递，即将数据拷贝到队列中进行传递，也可以传递指针，在传递较大的数据的时候采用指针传
递。
- 多任务访问
- 队列不属于某个任务，任何任务和中断都可以向队列发送/读取消息
- 出队、入队阻塞
- 当任务向一个队列发送消息时，可以指定一个阻塞时间，假设此时当队列已满无法入队。
- 阻塞时间如果设置为：
- 0：直接返回不会等待；
- 0~port_MAX_DELAY：等待设定的阻塞时间，若在该时间内还无法入队，超时后直接返回不再等待；
- port_MAX_DELAY：死等，一直等到可以入队为止。出队阻塞与入队阻塞类似；
队列相关 API 函数
- 创建队列
QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize );
- 参数：
- uxQueueLength：队列可同时容纳的最大项目数 。
- uxItemSize：存储队列中的每个数据项所需的大小（以字节为单位）。
- 返回值：
- 如果队列创建成功，则返回所创建队列的句柄 。 如果创建队列所需的内存无法分配 ，则返回 NULL。
- 写队列
- 写队列总共有以下几个函数：
BaseType_t xQueueSend(
QueueHandle_t xQueue,
const void * pvItemToQueue,
TickType_t xTicksToWait
);
- 参数：
- xQueue：队列的句柄，数据项将发送到此队列。
- pvItemToQueue：待写入数据
- xTicksToWait：阻塞超时时间
- 返回值：
- 如果成功写入数据，返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL。
- 读队列
- 读队列总共有以下几个函数：
BaseType_t xQueueReceive(
QueueHandle_t xQueue,
void *pvBuffer,
TickType_t xTicksToWait
);
- 参数：
- xQueue：待读取的队列
- pvItemToQueue：数据读取缓冲区
- xTicksToWait：阻塞超时时间
- 返回值：
- 成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。
11. 队列实操（385.10）
实验需求
- 创建一个队列，按下 KEY1 向队列发送数据，按下 KEY2 向队列读取数据。
cubeMX配置
代码实现
- 代码（4.queue_test）（基于3.tasks_test）
//freertos.c
void StartTaskSend(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartTaskSend */
uint16_t buf = 99;
BaseType_t status;
/* Infinite loop */
for(;;)
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
{
osDelay(20);
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
{
status = xQueueSend(myQueueHandle, &buf, 0);
if(status == pdTRUE)
printf("写入队列成功，写入值为%d\r\n", buf);
else
printf("写入队列失败\r\n");
}
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);//防止按下时多次一直打印
}
osDelay(10);
}
/* USER CODE END StartTaskSend */
}
void StartTaskReceive(void const * argument)
{
/* USER CODE BEGIN StartTaskReceive */
uint16_t buf;
BaseType_t status;
/* Infinite loop */
for(;;)
{
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
{
osDelay(20);
if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
{
status = xQueueReceive(myQueueHandle, &buf, 0);
if(status == pdTRUE)
printf("读取队列成功，读出值为%d\r\n", buf);
else
printf("读取队列失败\r\n");
}
while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);//防止按下时多次一直打印
}
osDelay(10);
}
/* USER CODE END StartTaskReceive */
}
