FreeRTOS介紹與基礎(chǔ)任務(wù)創(chuàng)建

FreeRTOS簡介

FreeRTOS，全稱Free Real Time Operating System，即免費的實時操作系統(tǒng)。相比于計算機(jī)中用到的Windows，MacOS，Linux等操作系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)(RTOS)是一種輕量級的操作系統(tǒng)，適用于嵌入式硬件中，用于解決單片機(jī)類裸機(jī)輪詢方式在處理多個任務(wù)時的實時性不高的問題。

目前的實時操作系統(tǒng)有好多種，除FreeRTOS外，還有μCOS、RT-Thread、RTX、Alios Things、Huawei LiteOS等。

什么是RTOS？

實時操作系統(tǒng)(RTOS)的主要特點是可以實現(xiàn)多任務(wù)，與多任務(wù)系統(tǒng)相對的是裸機(jī)系統(tǒng)。

裸機(jī)系統(tǒng)

裸機(jī)系統(tǒng)就是最初我們學(xué)習(xí)單片機(jī)編程時接觸的那種編程方式，main函數(shù)中一個while大循環(huán)依次處理各個模塊的任務(wù)，對于需要及時檢測的事件會使用中斷。這種使用大循環(huán)的程序運行方式也叫輪詢系統(tǒng)，加上中斷處理函數(shù)后又稱前后臺系統(tǒng)，中斷處理稱作前臺，無限循環(huán)稱作后臺。

多任務(wù)系統(tǒng)

多任務(wù)系統(tǒng)是將各個處理模塊編寫為單獨的任務(wù)，每個任務(wù)本身是個無限循環(huán)，程序運行初期會創(chuàng)建各個子任務(wù)，通過任務(wù)調(diào)度的方式，利用各任務(wù)的阻塞時刻不斷切換運行各個任務(wù)，達(dá)到一種看起來是多個任務(wù)在同時運行的一種效果。并且，通過中斷標(biāo)志以及任務(wù)間通信的相關(guān)機(jī)制，可以實現(xiàn)任務(wù)之間的快速響應(yīng)。

FreeRTOS特點

使用免費！

系統(tǒng)簡單小巧、文件數(shù)量少、通常情況下內(nèi)核占用4~9k字節(jié)空間

搶占式內(nèi)核

代碼主要由C編寫，可移植性高，已實現(xiàn)在30多種架構(gòu)的芯片上移植

任務(wù)與任務(wù)，任務(wù)與中斷間的通信方式包括：信號量、消息隊列、事件標(biāo)志組、任務(wù)通知

具有優(yōu)先級繼承特性的互斥信號令，避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題

高效的軟件定時器

FreeRTOS源碼目錄結(jié)構(gòu)

這里以FreeRTOS v9.0.0版本為例，代碼包含F(xiàn)reeRTOS和FreeRTOS-Plus文件夾，后者是一些補充文件，初學(xué)者用不到，可以先忽略。在FreeRTOS文件夾中主要關(guān)注source文件夾，這里是FreeRTOS的全部源碼，包括6個c文件和include文件夾下的多個h文件。另外，在portable文件夾下，是針對不同硬件平臺的單獨區(qū)分使用的代碼，目前考慮使用Keil開發(fā)STM32F407，所以portable文件夾只需使用RVDS的ARM_CM4F以及MemMang。

關(guān)于各個c文件的主要用途:

port.c : 針對不同硬件平臺的接口

heap_4.c : 內(nèi)存管理相關(guān)

croutine.c : 協(xié)程相關(guān)

event_groups.c : 事件標(biāo)志組相關(guān)

list.c : 列表，F(xiàn)reeRTOS的一種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

queue.c : 隊列相關(guān)

tasks.c : 任務(wù)創(chuàng)建、掛起、恢復(fù)、調(diào)度相關(guān)

timers.c : 軟件定時器相關(guān)

另外在Demo文件夾下還需要用到一個FreeRTOSConfig.h，該文件中通過各種宏定義的方式來配置FreeRTOS需要使用哪些資源。

?

任務(wù)相關(guān)API函數(shù)

任務(wù)創(chuàng)建 xTaskCreate()

函數(shù)原型(tasks.c中)：

BaseType_t xTaskCreate(	TaskFunction_t pxTaskCode,
                       const char * const pcName,
                       const uint16_t usStackDepth,
                       void * const pvParameters,
                       UBaseType_t uxPriority,
                       TaskHandle_t * const pxCreatedTask ) 

參數(shù)：

pxTaskCode：自己創(chuàng)建的任務(wù)函數(shù)的函數(shù)名

pcName：任務(wù)的名字，隨意起，字符串型

usStackDepth：任務(wù)堆棧大小(實際上申請到的是這里的4倍)，設(shè)的太小任務(wù)可能無法運行！

pvParameters：任務(wù)函數(shù)的參數(shù)，不需要傳參設(shè)為NULL即可

uxPriority：任務(wù)優(yōu)先級，0~(configMAX_PRIORITIES-1)

pxCreatedTask：任務(wù)句柄，實際是一個指針，也是任務(wù)的任務(wù)堆棧

返回值：

pdPASS：數(shù)值1，任務(wù)創(chuàng)建成功，且添加到就緒列表

錯誤代碼：負(fù)數(shù)，任務(wù)創(chuàng)建識別

這里的返回值是BaseType_t，實際它是long類型，可以在portmacro.h文件中看到其定義：

typedef long BaseType_t;

另外，任務(wù)句柄的類型為TaskHandle_t，實際它是void *類型，可以在task.h文件中看到其定義：

typedef void * TaskHandle_t;

注：xTaskCreate()是一種動態(tài)創(chuàng)建任務(wù)的方式，系統(tǒng)通過heap_4.c的配置為任務(wù)自動分配相關(guān)內(nèi)存，還有一種靜態(tài)創(chuàng)建任務(wù)的方式xTaskCreateStatic()，這里先不介紹。

任務(wù)刪除 vTaskDelete()

函數(shù)原型(tasks.c中)：

void vTaskDelete( TaskHandle_t xTaskToDelete )

參數(shù)：

xTaskToDelete：要刪除的任務(wù)的任務(wù)句柄

注：通過 xTaskCreate()動態(tài)創(chuàng)建的任務(wù)，在使用vTaskDelete()刪除后，該任務(wù)創(chuàng)建時申請的堆棧和內(nèi)存會在系統(tǒng)的空閑任務(wù)中被釋放掉。

任務(wù)調(diào)度 vTaskStartScheduler()

函數(shù)原型(tasks.c中)：

void vTaskStartScheduler( void )

不需要參數(shù)，開啟后就由FreeRTOS開始任務(wù)調(diào)度工作。

程序設(shè)計

主函數(shù)

主函數(shù)還是我們熟悉的main函數(shù)，但FreeRTOS里的main函數(shù)不需要自己設(shè)計成死循環(huán)，只需要創(chuàng)建任務(wù)并開啟任務(wù)調(diào)度，即可使系統(tǒng)持續(xù)運行。

任務(wù)的創(chuàng)建一般都是先創(chuàng)建一個開始任務(wù)，然后開始任務(wù)再負(fù)責(zé)創(chuàng)建其它子任務(wù)。

int main(void)
{ 
	//設(shè)置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級分組4(FreeRTOS中的默認(rèn)方式！)
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
	
	//初始化LED端口
	LED_Init();		        			

	//創(chuàng)建開始任務(wù)
	xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任務(wù)函數(shù)
				(const char*    )"start_task",          //任務(wù)名稱
				(uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任務(wù)堆棧大小
				(void*          )NULL,                  //傳遞給任務(wù)函數(shù)的參數(shù)
				(UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任務(wù)優(yōu)先級
				(TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任務(wù)句柄  
	//開啟任務(wù)調(diào)度				
	vTaskStartScheduler();          
}

開始任務(wù)函數(shù)

開始任務(wù)函數(shù)的功能就是用來創(chuàng)建其它的子任務(wù)，創(chuàng)建完之后會把自己刪除掉。

//開始任務(wù)任務(wù)函數(shù)
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           //進(jìn)入臨界區(qū)
	
    //創(chuàng)建TASK1任務(wù)
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task1_task,             
                (const char*    )"task1_task",           
                (uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,        
                (void*          )NULL,                  
                (UBaseType_t    )TASK1_TASK_PRIO,        
                (TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);   
    //創(chuàng)建TASK2任務(wù)
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task2_task,     
                (const char*    )"task2_task",   
                (uint16_t       )TASK2_STK_SIZE,
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )TASK2_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler); 
				
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //刪除開始任務(wù)
				
    taskEXIT_CRITICAL();            //退出臨界區(qū)
}

兩個任務(wù)函數(shù)

每個任務(wù)函數(shù)都是一個死循環(huán)，注意循環(huán)中必須添加vTaskDelay()延時函數(shù)，用于任務(wù)的切換。

//task1任務(wù)函數(shù)
void task1_task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		LEDa_Toggle;
        vTaskDelay(500); //延時500ms
	}
}

//task2任務(wù)函數(shù)
void task2_task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
        LEDb_ON;
        vTaskDelay(200); //延時200ms
		LEDb_OFF;
        vTaskDelay(800); //延時800ms
	}
}

main.c所有程序

#include "stm32f4xx.h"
#include "led.h"

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

//任務(wù)參數(shù)--------------------------
//優(yōu)先級 堆棧大小 任務(wù)句柄 任務(wù)函數(shù)
#define START_TASK_PRIO		1
#define START_STK_SIZE 		128  
TaskHandle_t StartTask_Handler;
void start_task(void *pvParameters);

#define TASK1_TASK_PRIO		2
#define TASK1_STK_SIZE 		128  
TaskHandle_t Task1Task_Handler;
void task1_task(void *pvParameters);

#define TASK2_TASK_PRIO		3	
#define TASK2_STK_SIZE 		128  
TaskHandle_t Task2Task_Handler;
void task2_task(void *pvParameters);


int main(void)
{ 
	//設(shè)置系統(tǒng)中斷優(yōu)先級分組4(FreeRTOS中的默認(rèn)方式！)
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
	
	//初始化LED端口
	LED_Init();		        			

	//創(chuàng)建開始任務(wù)
	xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任務(wù)函數(shù)
				(const char*    )"start_task",          //任務(wù)名稱
				(uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任務(wù)堆棧大小
				(void*          )NULL,                  //傳遞給任務(wù)函數(shù)的參數(shù)
				(UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任務(wù)優(yōu)先級
				(TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任務(wù)句柄  
	//開啟任務(wù)調(diào)度				
	vTaskStartScheduler();          
}

//開始任務(wù)任務(wù)函數(shù)
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           //進(jìn)入臨界區(qū)
	
    //創(chuàng)建TASK1任務(wù)
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task1_task,             
                (const char*    )"task1_task",           
                (uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,        
                (void*          )NULL,                  
                (UBaseType_t    )TASK1_TASK_PRIO,        
                (TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);   
    //創(chuàng)建TASK2任務(wù)
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task2_task,     
                (const char*    )"task2_task",   
                (uint16_t       )TASK2_STK_SIZE,
                (void*          )NULL,
                (UBaseType_t    )TASK2_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler); 
				
    vTaskDelete(StartTask_Handler); //刪除開始任務(wù)
				
    taskEXIT_CRITICAL();            //退出臨界區(qū)
}

//task1任務(wù)函數(shù)
void task1_task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
		LEDa_Toggle;
        vTaskDelay(500); //延時500ms
	}
}

//task2任務(wù)函數(shù)
void task2_task(void *pvParameters)
{
	while(1)
	{
        LEDb_ON;
        vTaskDelay(200); //延時200ms
		LEDb_OFF;
        vTaskDelay(800); //延時800ms
	}
}

運行結(jié)果

運行效果是板子上的兩個LED按照各自任務(wù)函數(shù)中設(shè)定的亮滅時間不斷閃爍。

使用系統(tǒng)的原因就是可以讓兩個任務(wù)看起來像是同時運行，試想，如果是裸機(jī)系統(tǒng)，雖然也可以實現(xiàn)同樣功能(這兩個LED任務(wù)的閃爍規(guī)律比較簡單)，但需要將兩個任務(wù)結(jié)合起來管理亮滅時間，兩個任務(wù)就糾纏在一起了，如果是兩個更復(fù)雜的任務(wù)，裸機(jī)系統(tǒng)可能就無法實現(xiàn)了。

審核編輯：湯梓紅