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FreeRTOS（1）：任务

2023-11-09

目录

一、FreeRTOS 介绍

什么是 FreeRTOS ？

为什么选择 FreeRTOS ?

FreeRTOS 资料与源码下载

FreeRTOS 实现多任务的原理

二、移植 FreeRTOS 到STM32

手动移植

使用CubeMX快速移植

快速移植流程

 一些常见问题

 三、任务的创建与删除

1. 什么是任务？

2. 任务创建与删除相关函数

HAL库：创建和删除

 函数原型：

3. 实操

 四、任务调度

什么是任务调度？

FreeRTOS的任务调度规则是怎样的？

抢占式调度运行过程

时间片调度运行过程

五、任务的状态

HAL库 的挂起和继续函数原型：

六、任务综合小实验

实验需求

cubeMX配置 

代码实现 

用到的函数： 

完整代码：

一、FreeRTOS 介绍

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。

（以上来自百度百科）

为什么选择 FreeRTOS ?

1.FreeRTOS 是免费的；

2.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。

3.简单，因为FreeRTOS的文件数量很少。

FreeRTOS 资料与源码下载

最好的资料就是官网提供的资料

FreeRTOS - Market leading RTOS (Real Time Operating System) for embedded systems with Internet of Things extensions

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。

二、移植 FreeRTOS 到STM32

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：

(61条消息) FreeRTOS移植到STM32_不秃也很强的博客-CSDN博客

使用CubeMX快速移植

快速移植流程

1. 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。

2. 将 RCC 里的 HSE 设置为 Crystal/Ceramic Resonator 。

3. 时钟配置

4. 选择 FREERTOS 选项，并将 Interface 改为 CMSIS_V1 。V1 和 V2 有啥区别？下文解释。

 5. 配置项目信息，并导出代码。 

 一些常见问题

1. 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。

2. 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。

3. 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

4. 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：

(61条消息) FreeRTOS系列第6篇---FreeRTOS内核配置说明_vassertcalled_研究是为了理解的博客-CSDN博客

 三、任务的创建与删除

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：

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：

函数名称 函数作用
xTaskCreate() 动态方式创建任务
xTaskCreateStatic() 静态方式创建任务
vTaskDelete() 删除任务

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

1. 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）；

2. pcName：任务的名字，主要是用来调试，默认情况下最大长度是16；

3. pvParameters：指定的任务栈的大小；

4. uxPriority：任务优先级，数值越大，优先级越大；

5. pxCreatedTask：用于返回已创建任务的句柄可以被引用。

返回值 描述
pdPASS 任务创建成功
errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY 任务创建失败

HAL库：创建和删除

    //创建
  /* Create the thread(s) */
  /* definition and creation of LED1 */
  osThreadDef(LED1, Start_LED1, osPriorityNormal, 0, 128);
  LED1Handle = osThreadCreate(osThread(LED1), NULL);

  /* definition and creation of LED2 */
  osThreadDef(LED2, Start_LED2, osPriorityNormal, 0, 128);
  LED2Handle = osThreadCreate(osThread(LED2), NULL);

    //删除
  osThreadTerminate(LED1Handle);
  osThreadTerminate(LED2Handle);

 函数原型：

/*********************** Thread Management *****************************/
/**
* @brief  Create a thread and add it to Active Threads and set it to state READY.
* @param  thread_def    thread definition referenced with \ref osThread.
* @param  argument      pointer that is passed to the thread function as start argument.
* @retval thread ID for reference by other functions or NULL in case of error.
* @note   MUST REMAIN UNCHANGED: \b osThreadCreate shall be consistent in every CMSIS-RTOS.
*/
osThreadId osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
{
  TaskHandle_t handle;
  
#if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) &&  ( configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION == 1 )
  if((thread_def->buffer != NULL) && (thread_def->controlblock != NULL)) {
    handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
              thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
              thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
  }
  else {
    if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
              thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
              &handle) != pdPASS)  {
      return NULL;
    } 
  }
#elif( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )

    handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
              thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
              thread_def->buffer, thread_def->controlblock);
#else
  if (xTaskCreate((TaskFunction_t)thread_def->pthread,(const portCHAR *)thread_def->name,
                   thread_def->stacksize, argument, makeFreeRtosPriority(thread_def->tpriority),
                   &handle) != pdPASS)  {
    return NULL;
  }     
#endif
  
  return handle;
}

/**
* @brief  Terminate execution of a thread and remove it from Active Threads.
* @param   thread_id   thread ID obtained by \ref osThreadCreate or \ref osThreadGetId.
* @retval  status code that indicates the execution status of the function.
* @note   MUST REMAIN UNCHANGED: \b osThreadTerminate shall be consistent in every CMSIS-RTOS.
*/
osStatus osThreadTerminate (osThreadId thread_id)
{
#if (INCLUDE_vTaskDelete == 1)
  vTaskDelete(thread_id);
  return osOK;
#else
  return osErrorOS;
#endif
}

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）。

3. 实操

两LED分别闪烁。

/* USER CODE END Header_Start_LED1 */
void Start_LED1(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Start_LED1 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    osDelay(500);
		
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_8);
  }
  /* USER CODE END Start_LED1 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_Start_LED2 */
/**
* @brief Function implementing the LED2 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_Start_LED2 */
void Start_LED2(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Start_LED2 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    osDelay(1000);
		
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_9);
  }
  /* USER CODE END Start_LED2 */
}

 四、任务调度

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：

        1. 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）

        2. 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


总结：

        1. 高优先级任务，优先执行；

        2. 高优先级任务不停止，低优先级任务无法执行；

        3. 被抢占的任务将会进入就绪态

时间片调度运行过程

 

 总结：

        1. 同等优先级任务，轮流执行，时间片流转；

        2. 一个时间片大小，取决为滴答定时器中断周期；

        3. 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。

五、任务的状态

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。

总结：

        1. 仅就绪态可转变成运行态

        2. 其他状态的任务想运行，必须先转变成就绪态

HAL库 的挂起和继续函数原型：

#endif /* INCLUDE_eTaskGetState */
/**
* @brief  Suspend execution of a thread.
* @param   thread_id   thread ID obtained by \ref osThreadCreate or \ref osThreadGetId.
* @retval  status code that indicates the execution status of the function.
*/
osStatus osThreadSuspend (osThreadId thread_id)
{
#if (INCLUDE_vTaskSuspend == 1)
    vTaskSuspend(thread_id);
  
  return osOK;
#else
  return osErrorResource;
#endif
}

/**
* @brief  Resume execution of a suspended thread.
* @param   thread_id   thread ID obtained by \ref osThreadCreate or \ref osThreadGetId.
* @retval  status code that indicates the execution status of the function.
*/
osStatus osThreadResume (osThreadId thread_id)
{
#if (INCLUDE_vTaskSuspend == 1)  
  if(inHandlerMode())
  {
    if (xTaskResumeFromISR(thread_id) == pdTRUE)
    {
      portYIELD_FROM_ISR(pdTRUE);
    }
  }
  else
  {
    vTaskResume(thread_id);
  }
  return osOK;
#else
  return osErrorResource;
#endif
}

六、任务综合小实验

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 

用到的函数： 

osThreadDef(LED1, Start_LED1, osPriorityNormal, 0, 128);
 LED1Handle = osThreadCreate(osThread(LED1), NULL);

osThreadTerminate(LED1Handle);

osThreadSuspend(LED2Handle);

osThreadResume(LED2Handle);

完整代码：

usart.c        串口1输出文字

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include "stdio.h"
//覆写printf，usart1输出
int fputc(int ch, FILE *f)
{      
    unsigned char temp[1]={ch};
    HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);  
    return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

  freertos.c

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */


/* USER CODE BEGIN Header_Start_LED1 */
/**
  * @brief  Function implementing the LED1 thread.
  * @param  argument: Not used
  * @retval None
  */
/* USER CODE END Header_Start_LED1 */
void Start_LED1(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Start_LED1 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    osDelay(500);
		
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_8);
  }
  /* USER CODE END Start_LED1 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_Start_LED2 */
/**
* @brief Function implementing the LED2 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_Start_LED2 */
void Start_LED2(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Start_LED2 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    osDelay(1000);
		
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_9);
  }
  /* USER CODE END Start_LED2 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_Start_KEY1 */
/**
* @brief Function implementing the KEY1 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_Start_KEY1 */
void Start_KEY1(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Start_KEY1 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
		{
			osDelay(10);//防抖
			if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
			{
				printf("按键1按下\r\n");
				if(LED1Handle == NULL)
				{
					printf("任务1未创建，开始创建任务1\r\n");
					
					osThreadDef(LED1, Start_LED1, osPriorityNormal, 0, 128);
					LED1Handle = osThreadCreate(osThread(LED1), NULL);
					
					if(LED1Handle != NULL)
						printf("任务1创建成功");
				}
				else
				{
					printf("任务1已存在，准备删除\r\n");
					osThreadTerminate(LED1Handle);
					LED1Handle = NULL;//手动置null
				}
			}
			while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET);
		}
    osDelay(10);
  }
  /* USER CODE END Start_KEY1 */
}

/* USER CODE BEGIN Header_Start_KEY2 */
/**
* @brief Function implementing the KEY2 thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_Start_KEY2 */
void Start_KEY2(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Start_KEY2 */
	static uint8_t flag = 0;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
		{
			osDelay(10);//防抖
			if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET)
			{
				printf("按键2按下\r\n");
				if (flag == 0)
				{
					osThreadSuspend(LED2Handle);
					printf("任务2已暂停\r\n");
					flag = 1;
				}
				else
				{
					osThreadResume(LED2Handle);
					printf("任务2已恢复\r\n");
					flag = 0;
				}
			}
			while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET);
		}
    osDelay(10);
  }
  /* USER CODE END Start_KEY2 */
}

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