利用STM32CubeMX和Keil模拟器，3天入门FreeRTOS（4.2） —— 中断函数中使用队列

news2024/10/7 18:27:39

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

前期准备

（1）首先将上一篇博客的代码复制一遍下来。

在这里插入图片描述

（2）将两个按键设置为双边沿触发，默认弱下拉。

在这里插入图片描述

（3）打开使能两个引脚中断

在这里插入图片描述

（4）因为我们使用的是外部中断0和外部中断1，所以这里需要使用HAL_GPIO_EXTI_Callback()进行重定义。

/* Private application code --------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Application */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	switch (GPIO_Pin)
	{
		case GPIO_PIN_0:
		{		
			break;
		}
		case GPIO_PIN_1:
		{
			break;
		}
	}
}
/* USER CODE END Application */

实战

补充细节

（1）我们按Ctrl+F搜索Header_StartCubemxTask ，然后直接进行如下函数补充即可。

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

/* 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);
}

/* --- 写实验 ---*/
#define Test_xQueueSendToFrontFromISR   1
#define Test_xQueueSendToBackFromISR    0
#define Test_xQueueOverwriteFromISR     0
/* --- 读实验 ---*/
#define Test_xQueueReceiveFromISR       0
#define Test_xQueuePeekFromISR          1
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	static uint16_t Buf = 0;
	BaseType_t status;
	switch (GPIO_Pin)
	{
		case GPIO_PIN_0:
		{		
			if (HAL_GPIO_ReadPin(Key_0_GPIO_Port, Key_0_Pin) == GPIO_PIN_SET)
			{
				Buf++;
#if Test_xQueueSendToFrontFromISR
				// 写实验1：测试头插xQueueSendToFrontFromISR()函数
				status = xQueueSendToFrontFromISR(KeilQueueHandle, &Buf, 0);
				if (status == pdTRUE)
				{
					printf("xQueueSendToFrontFromISR writes data successfully : %d\r\n", Buf);
				}
				else
				{
					printf("xQueueSendToFrontFromISR failed to write data\r\n");
				}
#elif Test_xQueueSendToBackFromISR
				// 写实验2：测试尾插xQueueSendToBackFromISR()函数
				status = xQueueSendToBackFromISR(KeilQueueHandle, &Buf, 0);
				if (status == pdTRUE)
				{
					printf("xQueueSendToBackFromISR writes data successfully : %d\r\n", Buf);
				}
				else
				{
					printf("xQueueSendToBackFromISR failed to write data\r\n");
				}
#elif Test_xQueueOverwriteFromISR
				// 写实验3：测试xQueueOverwrite()函数，这个只能用于队列大小为1的情况。不为1的队列使用这个,程序会崩溃
				xQueueOverwriteFromISR(KeilQueueHandle, &Buf);
				printf("xQueueOverwriteFromISR writes data successfully : %d\r\n", Buf);
#endif
				//查询队列中存储的消息数
				status = uxQueueMessagesWaitingFromISR(KeilQueueHandle);
				printf("The number of data stored in the queue : %d\r\n",status);
			}
			break;
		}
		case GPIO_PIN_1:
		{
			// 按下K1读取数据
			if (HAL_GPIO_ReadPin(Key_1_GPIO_Port, Key_1_Pin) == GPIO_PIN_SET )
			{
#if Test_xQueueReceiveFromISR
				// 读实验1：从队列头部读取消息，并删除消息
				status = xQueueReceiveFromISR(KeilQueueHandle, &Buf, 0);
				if (status == pdTRUE)
				{
					printf("xQueueReceiveFromISR data read successfully :%d\r\n", Buf);
				}
				else
				{
					printf("xQueueReceiveFromISR data read failed\r\n");
				}
#elif Test_xQueuePeekFromISR
				// 读实验2：从队列头部读取消息，但是不删除消息
				status = xQueuePeekFromISR(KeilQueueHandle, &Buf);
				if (status == pdTRUE)
				{
					printf("xQueuePeekFromISR data read successfully :%d\r\n", Buf);
				}
				else
				{
					printf("xQueuePeekFromISR data read failed\r\n");
				}
#endif
				//查询队列中的可用空间数,这个没有提供中断适配函数
//				status = uxQueueSpacesAvailable(KeilQueueHandle);
//				printf("There is space left in the queue : %d\r\n",status);
			}
			break;
		}
	}
}
/* USER CODE END Application */

测试结果

（1）测试结果与前文一致。

理论

中断和任务关系

（1）不管中断的优先级是多少，中断的优先级永远高任何任务的优先级。即在执行的过程中，中断来了就开始执行中断服务程序，即使是拥有最小优先级的中断也会打断拥有最高优先级的任务。
（2）中断是由硬件层面决定的，而任务只是一个软件的概念。RTOS本质上就是滴答定时器中断提供时间基准，之后判断是否有任务需要进行调度。如果需要任务调度，那么就会触发PendSV_Handler中断，进行任务调度。

滴答定时器中断简单介绍

（1）在FreeRTOS中，滴答定时器中断函数进行了一次宏定义。个人感觉应该是为了做其他内核的兼容，加上宏定义之后，可移植性增强。
（2）vPortRaiseBASEPRI();这个函数就是进行关中断，因为滴答定时器在增加时基的时候，可能会收到其他中断影响而导致增加时基出现错误。为了防止出现这样的情况，因此需要调用vPortRaiseBASEPRI();将这些中断进行屏蔽。程序执行完成之后，调用vPortClearBASEPRIFromISR();解除中断屏蔽。而这段代码区域，称为临界区。
（3）在临界区中，我们会增加RTOS的时基，同时判断是否需要进行上下文切换。如果需要进行上下文切换，那么就触发PendSV中断。

#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler
void xPortSysTickHandler( void )
{
	/* SysTick运行在最低的中断优先级上，因此当这个中断执行时，
	所有中断都必须处于未屏蔽状态。
	因此，无需保存和恢复中断屏蔽值，因为其值已经是已知的。
	因此，vPortRaiseBASEPRI() 函数被用作替代 
	portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() 函数，因为它速度略快。*/
	vPortRaiseBASEPRI();
	{
		/* 增加RTOS时钟 */
		if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
		{
			/* 如果需要进行上下文切换，就触发PendSV中断 */
			portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
		}
	}
	/* 解除中断屏蔽 */
	vPortClearBASEPRIFromISR();
}

（4）使用临界区，很好的保护了滴答定时器中断程序不会被干扰。但是这样就会导致一个问题，当滴答定时器中断正在执行的时候，优先级更高的中断触发，就会需要等待滴答定时器中断执行完成才能够执行。执行流程如下图：

在这里插入图片描述

（5）可能有朋友就会问了，如果我的中断，就是要立刻执行，怎么办呢？首先，我先需要先确认一下，这个中断立刻执行的这个立刻到底是多长时间？
<1>从FreeRTOS的官网中我们可以知道，上下文切换时间为 84 个 CPU 周期。以STM32F103为例，当我们设置系统时钟为72MHZ的时候，一次上下文切换时间大概是1.2us。
<2>也就是说，除非你的中断的实时性要求苛刻到比1.2us还要高，否则这个临界区是可接受的。
<3>但是，因为有朋友肯定要说了，我实时性要求就是极端的变态，怎么办呢？很简单，你将ISR优先级设置比configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY高即可。（这个后面会细说）

PendSV中断简单介绍

（1）首先，我们需要知道为什么需要PendSV中断。我个人建议各位看看这篇博客，讲解的非常清晰，我在这里不进行赘述：PendSV功能，为什么需要PendSV
（2）如果不打算看上面这篇博客的，我就简单总结一下。因为我们知道，滴答定时器中断临界区会导致ISR的延迟处理，我们是否能够将任务切换分成两部分，一个是滴答定时器判断是否需要任务切换，一个是PendSV中断进行实际的任务切换。如果在判断过程中，来了ISR，那么我判断完成就可以马上进行ISR，然后再进行任务切换。那样就能够一定程度上提高ISR的响应速度。

在这里插入图片描述

什么时候不能使用ISR后缀的函数

（1）前面不是埋了一个坑麻，说如果ISR想要实时响应，能够打断滴答定时器的临界区如何处理。这个时候就需要请到一个宏了，在FreeRTOSConfig.h文件中，有configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 宏，负责定义FreeRTOS临界区可屏蔽的中断。例如现在这个宏设置为5，那么如果ISR的优先级在0-4之间，即使现在现在滴答定时器在临界区中执行程序，ISR也能够成功的打断滴答定时器，立即进入中断函数。执行流程如下图：

#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 5

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

（2）在上图我们看到，如果是FreeRTOS不可屏蔽中断不能使用以FromISR结尾的API函数。

在这里插入图片描述

为什么启动FreeRTOS后，必须是中断分组4

（1）在CM3和CM4内核中的NVIC控制器可以规定5中中断分组，在学习STM32裸机教程的时候，我们会调用NVIC_PriorityGroupConfig()函数设置中断分组。或者是在STM32CubeMX中设置中断分组。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

（2）但是，如果有细心的朋友会发现一个问题。在STM32CubeMX中无法设置成其他中断分组，只有中断分组4一个选项。这个是为什么呢？
因为FreeRTOS 的中断配置没有处理亚优先级这种情况，所以我们只能配置中断优先级分组为 4，直接就 16 个主优先级，使用起来也简单！

xHigherPriorityTaskWoken参数理解

（1）中断函数要求快速执行，因此，中断中执行的函数都是立即返回的，没有等待时间。那么，我们能够发现，原来的等待时间的参数变成的xHigherPriorityTaskWoken。我们将如何理解xHigherPriorityTaskWoken这个参数呢？
（2）还是回到上面关于中断和任务关系的介绍中，我们知道，滴答定时器是负责增加RTOS时基和任务切换判断，PendSV才是真正进行任务切换的中断函数。如果我们在ISR中执行类似队列操作，成功唤醒了任务优先级更高的Task2，ISR结束之后，我们如果想要让Task2马上开始执行，就需要利用上xHigherPriorityTaskWoken这个参数。
（3）xHigherPriorityTaskWoken表示是否成功唤醒了一个更高优先级的任务Task2。如果成功唤醒了，那么xHigherPriorityTaskWoken会被标记为pdTRUE，那么我们就可以执行portYIELD_FROM_ISR()函数触发PendSV进行任务切换。
（4）ISR中的队列操作成功唤醒了一个更高优先级的Task2，利用xHigherPriorityTaskWoken参数的程序的执行流程和代码如下：

BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
xQueueSendToFrontFromISR(KeilQueueHandle, &Buf, &xHigherPriorityTaskWoken);
if( xHigherPriorityTaskWoken )
{
	// 如果发送成功且唤醒了一个更高优先级的任务，则进行上下文切换
	portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

在这里插入图片描述

（5）但是，如果我们不利用xHigherPriorityTaskWoken这个参数，这个参数直接传入一个NULL。ISR中的队列操作成功唤醒了一个更高优先级的Task2，程序的执行流程和代码如下：

xQueueSendToFrontFromISR(KeilQueueHandle, &Buf, NULL);

在这里插入图片描述

API函数介绍

中断函数中向队列写数据

xQueueSendFromISR()和xQueueSendToBackFromISR()函数介绍

（1）xQueueSendFromISR()和xQueueSendToFrontFromISR()作用一致。
（2）xQueueSendFromISR()与xQueueSend()使用基本一样，除了第三个参数不同。具体细节看上面的xHigherPriorityTaskWoken参数理解。
（3）使用场景不同，xQueueSend()是在任务中调用，而xQueueSendFromISR()是在FreeRTOS的可屏蔽中断中调用。

/**
 * @brief  中断函数队列数据尾插
 *
 * @param  xQueue         队列的句柄
 *        -pvItemToQueue  指向待入队数据项的指针，每次只能插入一个数据
 *        -pxHigherPriorityTaskWoken 是否成功唤醒了一个更高优先级的任务，成功唤醒该值为pdTRUE，否则为pdFALSE
 *
 * @return  如果数据尾插成功，返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL。
 */
 BaseType_t xQueueSendToBackFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

xQueueSendToFrontFromISR()函数介绍

（1）和上面使用方法一致，只不过一个是尾插一个是头插。

/**
 * @brief  中断函数队列数据头插
 *
 * @param  xQueue         队列的句柄
 *        -pvItemToQueue  指向待入队数据项的指针，每次只能插入一个数据
 *        -pxHigherPriorityTaskWoken 是否成功唤醒了一个更高优先级的任务，成功唤醒该值为pdTRUE，否则为pdFALSE
 *
 * @return  如果数据头插成功，返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL。
 */
 BaseType_t xQueueSendToFrontFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

xQueueOverwriteFromISR()函数介绍

（1）覆盖队列中已经存在的数据，旨在用于长度为1的队列，队列要么为空，要么为满。

/**
 * @brief  覆盖队列中已经存在的数据（旨在用于长度为1的队列，队列要么为空，要么为满）
 *
 * @param  xQueue         队列的句柄
 *        -pvItemToQueue  指向待入队数据项的指针，每次只能插入一个数据
 *        -pxHigherPriorityTaskWoken 是否成功唤醒了一个更高优先级的任务，成功唤醒该值为pdTRUE，否则为pdFALSE
 *
 * @return  pdPASS是唯一可以返回的值
 */
 BaseType_t xQueueOverwriteFromISR(QueueHandle_t xQueue,const void *pvItemToQueue,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

中断函数中向队列读数据

xQueueReceiveFromISR()函数介绍

（1）中断函数中，从队列头部读取消息，并删除消息。

/**
 * @brief  中断函数中，从队列头部读取消息，并删除消息
 *
 * @param  xQueue         队列的句柄
 *        -pvBuffer       指向缓冲区的指针，接收到的项目将被复制到这个缓冲区，每次只能读取一个数据
 *        -pxHigherPriorityTaskWoken 是否成功唤醒了一个更高优先级的任务，成功唤醒该值为pdTRUE，否则为pdFALSE
 *
 * @return  如果从队列成功接收到项目，返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。
 */
 BaseType_t xQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue,void *pvBuffer,BaseType_t *pxHigherPriorityTaskWoken);

xQueuePeekFromISR()函数介绍

（1）中断函数中，从队列头部读取消息，但是不删除消息。

/**
 * @brief  中断函数中，从队列头部读取消息，但是不删除消息
 *
 * @param  xQueue         队列的句柄
 *        -pvBuffer       指向缓冲区的指针，接收到的项目将被复制到这个缓冲区，每次只能读取一个数据
 *
 * @return  如果从队列成功接收到项目，返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。
 */
BaseType_t xQueuePeekFromISR(QueueHandle_t xQueue,void *pvBuffer);

中断函数中获取队列数据数量信息

uxQueueMessagesWaitingFromISR()函数介绍

（1）中断函数中，查询队列中存储的消息数。

/**
 * @brief  中断函数中，查询队列中存储的消息数
 *
 * @param  xQueue  队列的句柄
 *
 * @return  队列中可用的消息数
 */
UBaseType_t uxQueueMessagesWaitingFromISR( QueueHandle_t xQueue );

参考

（1）C站：freertos—中断管理（二）
（2）博客园：STM32 中断应用概览
（3）博客园：FreeRTOS 中断优先级配置（重要）
（4）知乎：FreeRTOS的中断管理
（5）韦东山freeRTOS快速入门：14_中断管理
（6）ST中文论坛：【经验分享】STM32之FreeRTOS:(一) 中断配置和临界段的使用
（7）Youtube：FreeRTOS on STM32 v2 - 11a Context switching
（8）C站：FreeRTOS记录（三、RTOS任务调度原理解析_Systick、PendSV、SVC）
（9）知乎：一文读懂->FreeRTOS任务调度（PendSV）
（10）微信公众号：RTOS内功修炼之FreeRTOS为何中断中只能用ISR结尾函数
（11）FreeRTOS官方文档：FreeRTOS 常见问题 -内存使用情况、启动时间&上下文切换时间
（12）C站：RTOS系列文章（2）：PendSV功能，为什么需要PendSV

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