利用STM32CubeMX和keil模拟器，3天入门FreeRTOS（1.1） —— 创建多个静态任务实操和简单讲解

news2024/10/3 2:14:47

前言

（1）FreeRTOS是我一天过完的，由此回忆并且记录一下。个人认为，如果只是入门，利用STM32CubeMX是一个非常好的选择。学习完本系列课程之后，再去学习网上的一些其他课程也许会简单很多。
（2）本系列课程是使用的keil软件仿真平台，所以对于没有开发板的同学也可也进行学习。
（3）叠甲，再次强调，本系列课程仅仅用于入门。学习完之后建议还要再去寻找其他课程加深理解。
（4）本系列博客对应代码仓库：gitee仓库

实战

（1）将上一篇博客最终的代码复制一份。

在这里插入图片描述

开启静态创建任务宏定义

（1）使用FreeRTOS的静态创建任务的时候，需要在FreeRTOSConfig.h打开configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION这个宏定义。一般是默认打开了的。如果你不需要使用静态创建任务，个人建议将这个宏关闭，这样生成的代码段会少一些。

在这里插入图片描述

任务创建

FreeRTOS静态任务创建

（1）对于STM32CubeMX而言，静态创建任务和动态创建任务只有如下部分不同，整体使用上都一样。反正ST做了RTOS层抽象，最终对外接口都是osThreadNew()函数。
（2）因为上一篇博客是使用Keil端手动传入参数，咱们已经会了，那么我现在就教一下大家如何在STM32CubeMX中传入参数。
（3）这里需要注意一点，你使用STM32CubeMX让任务传入参数，这个参数需要在keil端创建。（按Ctrl+F搜索Private variables即可找到如下部分）

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */          
static char *CubemxTask_argument = "StartCubemxTask\r\n";
/* USER CODE END Variables */

（4）之后你就需要在任务里面调用这个参数，按照如下方法使用。（按Ctrl+F搜索StartCubemxTask即可找到任务函数）

/* USER CODE END Header_StartCubemxTask */
void StartCubemxTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCubemxTask */
	char *CubemxTaskPrintf = (char *)argument;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		printf(CubemxTaskPrintf);		
  }
  /* USER CODE END StartCubemxTask */
}

在这里插入图片描述

keil端手动创建静态任务

（1）静态创建的任务，我们需要自己创建三个参数。一个是为静态任务准备的栈空间，一个是TCB控制块，一个是任务句柄。（按Ctrl+F搜索Private variables即可找到如下部分，并进行补充）


/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Variables */
static StackType_t g_pucStackKeilTaskBuff[128];  // 为静态任务准备的栈空间
static StaticTask_t g_TCBKeilTask;               // 静态任务的TCB控制块
TaskHandle_t keilTaskHandle;                     // 静态任务的句柄

static char *CubemxTask_argument = "StartCubemxTask\r\n";
/* USER CODE END Variables */

（2）上一篇博客我们已经介绍了如何使用keil端手动传入参数的方法，于是当前这一篇就不传入参数了。（按Ctrl+F搜索add threads 即可找到如下部分，并进行补充）


  /* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
  /* add threads, ... */
	keilTaskHandle = xTaskCreateStatic(StartKeilTask,"KeilTask", 128, NULL, osPriorityLow1, g_pucStackKeilTaskBuff,&g_TCBKeilTask);
	if(keilTaskHandle == NULL)
	{
		printf("KeilTask creation failed\r\n");
	}

（3）然后再补充任务函数内容。（按Ctrl+F搜索BEGIN Application 即可找到如下部分，并进行补充）

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	unsigned char temp[1]={ch};
	HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff);
	return ch;
}
void StartKeilTask(void *argument)
{
	while(1)
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
		HAL_Delay(100);
	}
}
/* USER CODE END Application */

测试结果

（1）和上文方法一致，不过因为我们修改了STM32CubeMX的配置信息重新生成keil工程的时候，原来的配置信息都将会被清空，因此还需要重新配置。

keil调试配置

（1）打开微库。

在这里插入图片描述

（2）配置模拟器
DARMSTM.DLL
pSTM32F103C8

在这里插入图片描述

配置虚拟示波器

（1）打开调试界面

在这里插入图片描述

（2）选择逻辑分析仪，检测PC13引脚。为什么下面输入的是PORTC.13，原因很简单，格式为PORTx.y，x表示端口，y表示具有引脚数值，注意’.'必须是英文的！

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

配置虚拟串口

（1）如下图

在这里插入图片描述

实测

（1）我们会发现结果和动态创建任务的结果是一致的。这也很好的证明了，静态创建任务和动态创建任务，在使用上是没有本质上的区别的。只有在创建任务和删除任务的时候略微不同。
（2）那么我们又为什么需要弄一个动态创建任务和一个静态创建任务呢？这就需要大家对堆有一定的认识了。具体内容请看理论部分，如果不理解，我建议无脑使用动态创建任务。

在这里插入图片描述

理论

（1）再次强调，以下内容对堆栈的知识要有一定的认知！如果新手小白看不懂，建议无脑使用动态创建任务！

xTaskCreateStatic()函数介绍

（1）静态创建任务函数和动态创建任务函数就最后部分不一样。
<1>如果是动态创建任务函数，那么最后只需要传入一个任务句柄即可。
<2>如果是静态创建任务函数，那么最后传入的任务句柄修改为栈空间的首地址和TCB控制块。
（2）栈空间：可能有同学不太能理解，我也不想讲一大堆术语，说白了，就是一个数组。这个涉嫌到汇编的内容，下面部分能听懂就听，听不懂略过。
<1>当函数A调用函数B的时候，一些参数信息需要保存进入栈。（也就是你这里传入的数组）
<2>函数中的局部变量会存放在栈空间里面。（也就是你这里传入的数组）
<3>RTOS进行任务调度切换的时候，需要保护现场。所谓的保护现场，就算把当前的下面这16个寄存器里面的值都存入到栈空间。（也就是你这里传入的数组）
（3）TCB控制块：这个就是句柄最终指向的区域。具体细节请看：
句柄到底是什么？TCB又是什么？C代码实例讲解

在这里插入图片描述

BaseType_t xTaskCreateStatic(
	TaskFunction_t pxTaskCode,                 // 指向任务函数的函数指针
	const char * const pcName,                 // 任务的名字，最大长度configMAX_TASK_NAME_LEN
	const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth, // 任务栈大小,单位为word,10表示40字节
	void * const pvParameters,                 // 调用任务函数时传入的参数
	UBaseType_t uxPriority,                    // 优先级，范围：0 ~ (configMAX_PRIORITIES-1)。数值越大，优先级越大
	StackType_t * const puxStackBuffer,        // 栈空间首地址指针
	StaticTask_t * const pxTaskBuffer          // 任务的TCB控制块
);

如何估计栈的大小

uxTaskGetStackHighWaterMark()函数介绍

（1）
<1>对于栈的大小估计，FreeRTOS中提供了uxTaskGetStackHighWaterMark()函数来查看任务使用的栈空间历史使用剩余值的最小值，单位是world（也就是4字节。很多C站博主都说是单位是1字节。我不知道他们从哪里得出的结论，我是直接看的FreeRTOS源码介绍）。
<2>当这个值越小说明任务堆栈溢出的可能性就越大。就要尝试适当的增大栈空间分配。
<3>如果这个值你发现非常的大。那么就可以适当的减小创建时候分配的栈空间。

/**
 * @brief   查看任务使用的栈空间大小
 *
 * @param   xTask 任务句柄
 *
 * @return 任务堆栈可用的最小值，单位word（4字节）
 */
UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark( TaskHandle_t xTask );

/* === 使用方法 === */
void StartCubemxTask(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartCubemxTask */
	char *CubemxTaskPrintf = (char *)argument;
	UBaseType_t Cubemx_Stack;
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		printf(CubemxTaskPrintf);
		Cubemx_Stack = uxTaskGetStackHighWaterMark(keilTaskHandle);
		printf("CubemxTask is %ld\r\n",Cubemx_Stack);		
  }
  /* USER CODE END StartCubemxTask */
}

在这里插入图片描述

（2）使用这个函数之前，需要注意，要在STM32CubeMX中使能INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark 。

在这里插入图片描述

（3）或者在FreeRTOSConfig.h文件中让INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark 这个宏定义为1。

在这里插入图片描述

测试结果

（1）开启仿真调试，我们即可知道最终的还剩下的栈空间大小。

在这里插入图片描述

静态创建的任务和动态创建

两者区别

（1）在FreeRTOS中，任务可以通过静态创建和动态创建两种方式来实现。他们只有在任务创建的初期和能否释放栈有区别，最终使用是一模一样的。

  • 静态创建的任务，栈是存放在数组里面的，也就是bss段。因此静态创建任务的栈无法释放，在编译初期就定好了。
  • 动态创建的任务，栈是通过类似malloc的函数实现的，也就是堆区域。堆是可以通过类似free函数释放的。

（3）以下是它们之间的主要区别以及各自的优缺点：
<1>静态创建任务：
优点：

  • 内存管理： 不需要动态分配内存，所有的资源在编译时就已经分配好了。
  • 实时性： 由于任务的资源在编译时就已经分配，因此任务创建的实时性较好。注意，这里只有在任务创建的时候实时性不同，任务创建完成之后，使用是一模一样的！！！
  • 可靠性： 如果你的应用程序在内存方面受到限制，静态创建任务可以帮助你在编译时就分配任务所需的内存，而不是在运行时动态分配。这样可以避免在运行时发生内存分配失败或碎片化问题。
  • 容易调试： 静态创建任务在编译时就分配了任务的资源，这使得在调试阶段更容易检测和解决问题，因为你可以直接查看任务的内存布局和大小。

缺点：

  • 灵活性： 静态创建任务需要在编译时确定任务的数量和占用的资源，因此不够灵活，无法动态地根据运行时的条件调整任务数量和任务栈大小，在程序烧录进入MCU之后就是定死的。
  • 浪费资源： 如果分配的资源过大，可能会浪费内存。因为静态创建的任务栈无法被释放。但是如果你这个任务就是要一直运行，不需要删除，这个问题不需要考虑。
  • 复杂性： 涉及多个任务和更复杂的系统结构时，静态创建任务可能会增加系统配置的复杂性。任务的数量、优先级和资源需求都需要在编译时确定，这可能使得系统的调整变得更加繁琐。

<2>动态创建任务：
优点：

  • 灵活性： 可以根据应用程序的需求动态创建和删除任务。也就是说他的任务数量和任务栈大小，是可以在MCU运行过程中进行调整。
  • 资源利用： 可以更灵活地分配内存，减少资源的浪费。因为他的任务栈是通过类似malloc函数申请的，也可也通过类似free函数释放。

缺点：

  • 内存管理： 动态分配内存需要考虑内存的释放，否则可能导致内存泄漏。
  • 实时性： 由于涉及到动态内存分配，任务的创建可能不如静态创建及时。
  • 可靠性： 动态创建的任务可能会因为堆不足够，导致任务创建失败的问题。

两种创建方式如何抉择

（1）选择静态创建还是动态创建取决于应用的具体需求。如果你的任务具备以下特征，就推荐使用静态创建任务：

  • 任务的数量和属性在编译时就确定，不需要动态创建或删除任务。
  • 任务的栈空间需求可以预先估计，不需要动态调整。
  • 堆空间有限，或者想要节省堆空间。
  • 对任务创建的速度和可靠性有较高的要求。

（2）当你的任务具备以下特征，就推荐使用动态创建任务：

  • 任务的数量和属性在运行时才确定，需要动态创建或删除任务。
  • 任务的栈空间需求难以预先估计，需要动态调整。
  • 堆空间充足，或者不在乎堆空间的占用。
  • 对任务创建的速度和可靠性没有较高的要求。

（3）关于动态分配任务还是静态分配任务到底如何抉择，这个要具体问题具体分析。但是对于新手小白来说，哪个容易使用，就用哪个，因此我个人推荐新手小白无脑使用动态分配任务的方式。

FreeRTOS的堆管理机制

（1）上面我说动态创建任务的任务栈是通过类似malloc函数实现的，为什么用类似两字呢？因为标准C库存在如下问题，所以自己写了一个堆分配算法。

  • malloc() 和 free() 函数在嵌入式系统上并不总是可用。
  • 占用了宝贵的代码空间
  • 不是线程安全的
  • 执行函数所需时间将因调用而异

（2）一个嵌入式/实时系统的 RAM 和定时要求可能与另一个非常不同，所以单一的 RAM 分配算法 将永远只适用于一个应用程序子集。因此FreeRTOS 提供了几种堆管理方案， 其复杂性和功能各不相同。
<1>heap_1 不太有用，因为 FreeRTOS 添加了静态分配支持。（也就是静态创建任务函数xTaskCreateStatic()）
<2>heap_2 现在被视为旧版，因为较新的 heap_4 实现是首选。
<3>heap_1 占用code段最小，heap_5 占用空间最多。

文件优点缺点
heap_1.c分配简单，时间确定只分配、不回收
heap_2.c动态分配、最佳匹配碎片、时间不定
heap_3.c调用标准库函数速度慢、时间不定
heap_4.c相邻空闲内存可合并可解决碎片问题、时间不定
heap_5.c在 heap_4 基础上支持分隔的内存块可解决碎片问题、时间不定

参考

（1）freeRTOS使用uxTaskGetStackHighWaterMark函数查看任务堆栈空间的使用情况
（2）CubeMX FreeRTOS uxTaskGetStackHighWaterMark()的使用
（3）FreeRTOS官方文档：静态内存分配 vs 动态内存分配
（4）FreeRTOS官方文档：内存管理
（5）FreeRTOS官方文档：任务堆栈应该多大？
（6）韦东山：FreeRTOS入门与工程实践课程——[4-2]内存管理部分

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