基于STM32的FreeRTOS任务管理

一、FreeRTOS操作系统特点

FreeRTOS是一款实时操作系统，可以设置任务的优先级。
FreeRTOS用于MCU，占用iROM约4~9Kbyte，FreeRTOS支持裁剪功能（可裁剪性强）。

FreeRTOS 与 ucos-II区别：

1. 在商用条件下，FreeRTOS免费开源，而ucos-II需要收费（非商用免费）。
2. 任务设计上更容易。在ucos-II中，每个任务的优先级互不相同；而在FreeRTOS中，任务的优先级的可以相同（对于相同优先级任务，采用时间片轮询方式调度）。
   ucos中表示任务优先级时，数字小的级别高；在FreeRTOS中表示任务优先级时，数字大的级别高。
3. FreeRTOS是ST钦定的第三方程序。
   比如STM32CubeMX软件可以直接生成含FreeRTOS的工程。

二、任务优先级

在FreeRTOS中，可以设定任务的优先级（一般是在创建任务的时候设置优先级）

任务优先级的范围 受限于工程中FreeRTOSConfig.h的configMAX_PRIORITIES 的值，低优先级号表示任务的优先级低，优先级号 0 表示最低优先级。有效的优先级号范围从 0 (configMAX_PRIORITES – 1)。

可以多个任务共用同一个优先级，那么当他们被调度运行时，调度器会让他们轮流执行（采用时间片机制）。

三、任务调度

任务调度由调度器控制，一般优先级调度当前可运行的任务中级别最高的任务。

而查询是否需要切换任务调度需要特定操作，一般，MCU会在每个时钟节拍产生后，检测是否需要切换任务调度。

1. 时钟节拍发生的频率
   心跳中断频率由FreeRTOSConfig.h 中的编译时配置常量 configTICK_RATE_HZ 进行配置。
   比如，若当前工程中configTICK_RATE_HZ 为100，则当前系统每隔10ms产生一次时钟节拍，检测是否需要切换任务。
2. 时钟节拍的来源
   由STM32的SysTick（滴答定时器）提供。具体操作如下
   （1）之后设计SysTick_init() 需要考虑，溢出时间为1.0/ configTICK_RATE_HZ 秒，使用SysTick的溢出中断
   （2）重新设计SysTick的中断服务函数（包含检测是否需要切换任务）

四、任务的状态

1. 运行状态
   当前正在运行的任务处于运行状态，同一时间只有一个任务处于运行状态。

2. 就绪状态
   如果任务处于非运行状态，但既没有阻塞也没有挂起，则这个任务处于就绪(ready，
   准备或就绪)状态

3. 挂起状态
   （运行vTaskSuspend()、vTaskResume()）“挂起(suspended)”也是非运行状态的子状态。处于挂起状态的任务对调度器而言是不可见的。

4. 阻塞状态
   如果一个任务正在等待某个事件，则称这个任务处于”阻塞态(blocked)”。阻塞态是非运行态的一个子状态。
   比如：void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay ); 使当前任务阻塞xTicksToDelay个节拍

五、状态的切换

上图反映了FreeRTOS下任务在就绪态、运行态、挂起态和阻塞态切换。结论：

1. 只有处于就绪态的任务才能直接进入到运行态。
2. 处于运行态的任务A，若运行期间存在优先级更高的其他任务B（任务B必须是处于就绪态或运行态），则在最近时钟节拍后，任务B取代任务A进入到运行态，原先任务A回到就绪态。
3. 处于运行态的任务A，若运行期间调用vTaskSuspend()，则进入到挂起态。处于挂起态的任务，需要其他任务对它调用vTaskResume()，才能进入到就绪态。
4. 处于运行态的任务A，若运行期间调用含有阻塞功能函数（比如延时阻塞），则进入到阻塞态。处于阻塞态的任务需要满足一定的条件才能进入到就绪态。

六、FreeRTOS的使用

以STM32一个已移植FreeRTOS的工程为例：

1.任务函数

任务函数是用于实现任务功能的。
任务函数要求：

1. 必须返回 void，而且带有一个 void *指针参数。其函数原型如下
   void ATaskFunction( void *pvParameters );
2. 作为系统中主要执行的任务函数，函数体中要求包含while(1); 即使任务不会因为运行到函数结束而结束。任务函数设计如下：

void ATaskFunction( void *pvParameters )
{
		//变量定义

		//任务主要内容放在死循环中
		while(1)
		{
			//任务主要代码
		}
		删除任务
}

2.创建任务

Eg：创建LED1连续闪烁任务。

1. 设计LED1的任务函数

void LED1TaskFunction( void *pvParameters )
{
		//变量定义
   
	    //任务主要内容放在死循环中
		while(1)
		{
			//任务主要代码(包含至少一条让当前任务阻塞代码，使其他任务可以被执行)
        LED1_FZ;
        //TIM2_delayms(500);//不使用，因为该函数不会使任务进入到阻塞态
        vTaskDelay( 500 );//使当前任务在500个节拍内，处于阻塞状态
		}
		//删除任务
}

补充：void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );
使一个任务进入阻塞状态，等待规定时钟节拍次数达到后，回到就绪态

2. 考虑给任务分配栈区深度
   需要结合任务函数进行分析，最终分配栈区大小必须要大于在该任务函数中分配/申请/使用到的空间之和。
   比如：当前任务函数中由于未定义变量，不需要分配特别多的空间，分配100字大小即可。

3. 调用创建任务的函数

TaskHandle_t  LED1_TaskHandle; //创建任务句柄（作为任务的ID）
BaseType_t xTaskCreate(	LED1TaskFunction,
							“LED1Task”,
						    100,
							NULL,
							1,//优先级
							& LED1_TaskHandle );

3.删除任务

void vTaskDelete( TaskHandle_t xTaskToDelete )
参数：任务的结构体（ID）

4.挂起任务与解除挂起

void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend )
挂起任务（参数填保存任务ID的变量/ 任务的句柄）
让指定任务进入挂起态。

void vTaskResume( TaskHandle_t xTaskToResume )
让任务解除挂起继续执行（参数填保存任务ID的变量/ 任务的句柄）
让指定任务从挂起态到就绪态。

5.任务调度与停止

void vTaskStartScheduler( void )
使任务开始调度
void vTaskEndScheduler( void )
停止调度

七、实战

LED1:0.3秒状态反转
LED2:0.7秒状态反转
LED3:1.1秒状态反转
UART:从‘A’开始每隔1秒发送字母

#include "main.h"

void led1_taskfunction(void *pvParameters);
void led2_taskfunction(void *pvParameters);
void led3_taskfunction(void *pvParameters);
void uart1_taskfunction(void *pvParameters);

TaskHandle_t led1TaskHandle;
TaskHandle_t led2TaskHandle;
TaskHandle_t led3TaskHandle;
TaskHandle_t uart1TaskHandle;

int main(void)
{
	//外设初始化
	LED_init();
	uart1_init(9600);
	//操作系统时钟初始化
	SysTick_Config(SystemCoreClock/configTICK_RATE_HZ);//溢出时间和操作系统中断间隔相同
	//至少创建一个任务
	xTaskCreate(led1_taskfunction,
							"led1_task",
							64,	//任务空间，单位：字
							NULL,
							1,	//优先级
							&led1TaskHandle);
	xTaskCreate(led2_taskfunction,
							"led2_task",
							64,	//任务空间，单位：字
							NULL,
							2,	//优先级
							&led2TaskHandle);
	xTaskCreate(led3_taskfunction,
							"led3_task",
							64,	//任务空间，单位：字
							NULL,
							1,	//优先级
							&led3TaskHandle);
	xTaskCreate(uart1_taskfunction,
							"uart1_task",
							64,	//任务空间，单位：字
							NULL,
							2,	//优先级
							&uart1TaskHandle);
	//开始任务的调度
	vTaskStartScheduler();
}

//先设计LED1任务
void led1_taskfunction(void *pvParameters)
{
	while(1)//任务函数中必须有:1.死循环结构 2.释放对CPU的占用
	{
		LED1_FZ;
		vTaskDelay(300);//使任务阻塞300个节拍后，回到就绪态
	}
}

//先设计LED2任务
void led2_taskfunction(void *pvParameters)
{
	while(1)//任务函数中必须有:1.死循环结构 2.释放对CPU的占用
	{
		LED2_FZ;
		vTaskDelay(700);//使任务阻塞700个节拍后，回到就绪态
	}
}

//先设计LED3任务
void led3_taskfunction(void *pvParameters)
{
	while(1)//任务函数中必须有:1.死循环结构 2.释放对CPU的占用
	{
		LED3_FZ;
		vTaskDelay(1100);//使任务阻塞1100个节拍后，回到就绪态
	}
}

//先设计uart1任务
void uart1_taskfunction(void *pvParameters)
{
	static u8 ch = 'A';
	while(1)//任务函数中必须有:1.死循环结构 2.释放对CPU的占用
	{
		printf("ch = %c\r\n",ch++);
		vTaskDelay(1000);//使任务阻塞1000个节拍后，回到就绪态
	}
}

本文地址：https://blog.csdn.net/qq_29011025/article/details/109014880