HAL STM32基于系统滴答定时器（SysTick）实现多任务时间片轮询

news2024/9/30 11:26:04

HAL STM32基于系统滴答定时器（SysTick）实现多任务时间片轮询

📑RTOS（实时操作系统）和定时器时间片轮询是两种不同的任务调度和执行方式的差异简介

🔖 以下部分内容，由AI给出的解答：

  • 🔖RTOS（实时操作系统）：
  • 🌿RTOS是一种专门设计用于实时系统的操作系统，它可以有效地管理多个任务，提供任务调度、同步和通信等功能。
  • 🌿STM32可以使用多种RTOS，例如FreeRTOS、ChibiOS等，它们都提供了任务管理、信号量、消息队列等功能。
  • 🌿在RTOS中，每个任务都有自己的优先级，并且RTOS会根据任务的优先级进行调度。高优先级的任务将获得更多的CPU时间。
  • 🌿RTOS提供了更结构化的任务管理，使得编写和维护多任务应用程序变得更容易。
  • 🔖定时器时间片轮询：
  • 🌾定时器时间片轮询是一种基于定时器中断的任务调度方法，而不涉及RTOS的复杂性。
  • 🌾在这种方法中，任务的执行由定时器中断触发，每个任务都有一个预定的时间片来执行。
  • 🌾当定时器触发时，控制权将转移到下一个任务，如果当前任务没有执行完，它将在下一个时间片继续执行。
  • 🌾这种方式的调度对于简单的应用来说可能足够，但在复杂的多任务系统中，可能会导致任务之间的优先级管理和调度变得复杂。
  • 📺演示运行效果：
    在这里插入图片描述

🛠STM32CubeMX工程配置

  • 🔧在STM32CubeMX配置工程时，系统时基是默认配置的SysTick定时器。在这里插入图片描述
  • 🔱软件默认配置的系统滴答定时器的优先级是最低的，可以根据个人使用情况，进行调整。在这里插入图片描述- 🌿其他外设使用可以根据个人需求配置。

⛳业务代码完善

  • ✨STM32CubeMX所创建的工程，系统滴答定时器默认是没有启用中断的需要自行添加和补充。
    在这里插入图片描述

  • 🪓滴答定时器中断回调函数完善。

void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
    Sys_Tick_Count();

}

📗时间片轮询驱动

  • 🍁时间片轮询，主要有3部分组成：时基（sys_time）、任务管理(sys_task)、任务对象(TASK)组成：

  • 🌿sys_time.c

#include "sys_time.h"

static unsigned short  int sys_tick = 0;



/**
 * @brief 系统时基
 * 
 */
void Sys_Tick_Count(void)
{
    sys_tick += 1;
}



/**
 * @description: 获取系统滴答计时
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
unsigned short int Get_Sys_Tick()
{
    return sys_tick;
}

/**
 * @description: 判断是否超时
 * @param {unsigned long int} start 计算开始的时间
 * @param {unsigned long int} timeout   超时时长
 * @return {*}
 */
unsigned short int Is_Timeout(unsigned short int start, unsigned short int timeout)
{
    return ((unsigned short int)(Get_Sys_Tick() - start)) > timeout ?  1: 0;
}
  • 🌿sys_task.c
#include "sys_task.h"
#include "sys_time.h"
#include "string.h"


sys_task_t *sys_task_head = NULL;

/**
 * @brief 系统任务
 * 
 * @param task 任务
 * @param handler 任务轮询函数
 * @param interval 轮询间隔
 */
void sys_task_create(sys_task_t *task, void (*handler)(void), unsigned int interval)
{
    sys_task_t *sys_task_tail = NULL;
    memset(task, 0, sizeof(sys_task_t));
    task->enable = 0;
    task->interval = interval;
    task->tick_cnt = Get_Sys_Tick();
    task->task_handler = handler;
    task->sys_task_next = NULL;
    if (sys_task_head == NULL)
    {
      sys_task_head = task;
			return ;
    }
    sys_task_tail = sys_task_head;
    while (sys_task_tail->sys_task_next != NULL)
    {
       sys_task_tail = sys_task_tail->sys_task_next;
    }
    sys_task_tail->sys_task_next = task;
}



/**
 * @brief 启动任务
 * 
 * @param task  任务句柄
 */
void sys_task_start(sys_task_t *task)
{
    task->enable = 1;
}



/**
 * @brief 停止任务
 * 
 * @param task  任务句柄
 */
void sys_task_stop(sys_task_t *task)
{
    task->enable = 0;
}


/**
 * @brief 系统任务轮询
 * 
 */
void sys_task_process()
{
    sys_task_t  *task = NULL;
    for (task = sys_task_head; task != NULL; task = task->sys_task_next) 
    {
        if (task->enable && Is_Timeout(task->tick_cnt, task->interval))
        {
            task->task_handler();                  // 运行
            task->tick_cnt =  Get_Sys_Tick();	   
        }
    }
}
  • 🌿Blink_TASK.c:(具体执行的任务可以根据个人实际使用进行添加配置，这里以驱动3个led对象为例)
#include "Blink_TASK.h"
#include "usb_printf.h"


void Blink_Task1(void){
	
	HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
	usb_printf("This Blink_Task1\r\n");
	HAL_Delay(1000);

}


void Blink_Task2(void){
	
	HAL_GPIO_TogglePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin);
	usb_printf("This Blink_Task2\r\n");
		HAL_Delay(800);

}

void Blink_Task3(void){
	
	HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin);
	usb_printf("This Blink_Task3\r\n");
		HAL_Delay(600);

}
  • main.c中的内容：
  • 🍃添加所需运行的任务句柄，需要运行多少个任务就创建多少个对象。
// 控制LED1任务
sys_task_t Task1_Blink;

// 控制LED2任务
sys_task_t Task2_Blink;

// 控制LED3任务
sys_task_t Task3_Blink;
  • 🍃创建任务对象
void task_start()
{
    sys_task_create(&Task1_Blink, Blink_Task1, 50);
    sys_task_start(&Task1_Blink);
    sys_task_create(&Task2_Blink, Blink_Task2, 20);
    sys_task_start(&Task2_Blink);
    sys_task_create(&Task3_Blink, Blink_Task3, 30);
    sys_task_start(&Task3_Blink);
}
  • 📝main.c所有代码
/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2024 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "usb_device.h"
#include "gpio.h"

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

//Timer Task Manage
#include "sys_time.h"
#include "sys_task.h"
#include "Blink_TASK.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
// 控制LED1任务
sys_task_t Task1_Blink;

// 控制LED2任务
sys_task_t Task2_Blink;

// 控制LED3任务
sys_task_t Task3_Blink;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */


// 任务创建
void task_start()
{
    sys_task_create(&Task1_Blink, Blink_Task1, 50);
    sys_task_start(&Task1_Blink);
    sys_task_create(&Task2_Blink, Blink_Task2, 20);
    sys_task_start(&Task2_Blink);
    sys_task_create(&Task3_Blink, Blink_Task3, 30);
    sys_task_start(&Task3_Blink);
}
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
    /* USER CODE BEGIN 1 */

    /* USER CODE END 1 */

    /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

    /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
    HAL_Init();

    /* USER CODE BEGIN Init */

    /* USER CODE END Init */

    /* Configure the system clock */
    SystemClock_Config();

    /* USER CODE BEGIN SysInit */

    /* USER CODE END SysInit */

    /* Initialize all configured peripherals */
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_USB_DEVICE_Init();
    /* USER CODE BEGIN 2 */
    uint32_t Main_Fosc = HAL_RCC_GetSysClockFreq();
    //	HAL_GetTick();
    usb_printf("Main_Fosc:%d \r\n", Main_Fosc);
    task_start();
    /* USER CODE END 2 */

    /* Infinite loop */
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while(1) {
        /* USER CODE END WHILE */

        /* USER CODE BEGIN 3 */
        sys_task_process();
    }
    /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    /** Configure the main internal regulator output voltage
    */
    __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE2);

    /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
    * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
    */
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 168;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV4;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if(HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }

    /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
    */
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                  | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

    if(HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_SYSTICK_Callback(void)
{
    Sys_Tick_Count();

}
/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
    /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
    /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
    __disable_irq();
    while(1) {
    }
    /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
    /* USER CODE BEGIN 6 */
    /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
       ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
    /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */
  • 👉本示例中所使用的是USB CDC作为调试信息输出，usb_printf.c、h代码：
#include "usb_printf.h"



void usb_printf(const char *fmt, ...) {
    char buf[128];//自定义缓冲区大小
    va_list args;
    va_start(args, fmt);
    vsnprintf(buf, sizeof(buf), fmt, args);
    va_end(args);
    CDC_Transmit_FS((uint8_t *)buf, strlen(buf));
}

#ifndef _USB_PRINTF_H
#define _USB_PRINTF_H

#include "stdio.h"
#include <stdarg.h>
#include "usbd_cdc_if.h"

void usb_printf(const char *fmt, ...);

#endif

📚示例工程源码

  • 🔖基于stm32f401创建。固件版本：STM32Cube FW_F4 V1.28.0
链接：https://pan.baidu.com/s/1ouPVpfv9E_2paunmgrOMRg?pwd=r3xk 
提取码：r3xk

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