FreeRTOS学习笔记（一）—— 裸机和RTOS，Freertos移植（MDK），stm32cubeIDE使用Freertos

news2025/1/10 6:01:49

FreeRTOS学习笔记（一）—— 裸机和RTOS，Freertos移植（MDK），stm32cubeIDE使用Freertos

文章目录

  • `FreeRTOS学习笔记（一）—— 裸机和RTOS，Freertos移植（MDK），stm32cubeIDE使用Freertos`
  • `FreeRTOS学习笔记系列`
    • `开胃小菜（前缀后缀）`
      • 前缀x和v
      • 后缀FromISR
    • `1、裸机与RTOS`
      • `裸机与RTOS的区别`
      • `前后台系统（裸机）`
      • `实时操作系统（RTOS）`
    • `2、FreeRTOS简介`
    • `3、Freertos调度方式`
      • `抢占式——优先级不同的任务`
      • `时间片轮转——优先级相同的任务`
      • `协程式——不更新`
      • `PS：Freertos的四个任务状态`
    • `4、Freertos移植（MDK）`
      • `源码文件夹介绍`
      • `动手移植`
        • `Source文件夹`
        • `portable文件夹`
          • `Keil文件夹`
          • `RVDS文件夹`
          • `MemMang文件夹`
        • `添加 FreeRTOSConfig.h 文件`
          • `FreeRTOSConfig.h获取途径`
        • `移植好了别忘了加路径啊！！！！！！！！`
    • `5、stm32cubeide创建Freertos工程`
      • `RCC模式和配置（根据实际情况）`
      • `系统模式与配置`
      • `FREERTOS模式和配置`
        • `Freertos接口（CMSIS）`
        • `参数配置(Config parameters)`
        • `任务创建（Tasks） 和 消息队列（Queues）`
        • `互斥锁（Mutexes） 和 递归互斥锁（Recursive Mutexes）`
        • `定时器（Timer） 和 信号量（Semaphore）`
        • `事件标志组（Events）`
        • `高级设置（Advanced settings）`
        • `其他设置（others）`
      • `生成位置/效果`
  • `如果对你有帮助，就点赞收藏吧！(｡･ω･｡)ﾉ♡`

FreeRTOS学习笔记系列

【FreeRTOS（MDK、STM32CUBEIDE）学习笔记，超详细！！！（合集）】
【FreeRTOS学习笔记（一）—— 裸机和RTOS，Freertos移植（MDK），stm32cubeIDE使用Freertos】
【FreeRTOS学习笔记（二）—— 任务，挂起，临界区，中断，任务调度和切换】
【FreeRTOS学习笔记（三）—— 消息队列，信号量，事件标志组，任务通知】
【FreeRTOS学习笔记（四）—— 延时函数，列表，软件定时器，低功耗模式，内存管理】

开胃小菜（前缀后缀）

前缀x和v

FreeRTOS 的一些函数前缀x，而有一些前缀v，到底是什么意思呢
就比如任务的创建和删除

API函数描述
xTaskCreate()动态方式创建任务
xTaskCreateStatic()静态方式创建任务
vTaskDelete()删除任务

x代表函数返回值为一个BaseType_t类型，用于辨别是否创建成功
v的含义是void，即没有返回值

后缀FromISR

带 “FromISR” 后缀是在 中断函数 中专用的API函数
在中断服务函数里边需调用FreeRTOS的API函数，必须使用带“FromISR”后缀的函数

1、裸机与RTOS

裸机与RTOS的区别

用两个事情作比喻：打游戏和跟对象聊天
裸机：游戏和对象只能选一个，打游戏怎么能分心呢

在这里插入图片描述

RTOS：小孩子才做选择，我两个都要，边打游戏边聊天
在这里插入图片描述

前后台系统（裸机）

裸机又称为前后台系统，前台系统指的中断服务函数，后台系统指的while()大循环，即应用程序
1、实时性差：(应用程序)轮流执行
2、delay空等待：CPU不执行其他代码
3、结构臃肿：实现功能都放在一个无限循环里面
在这里插入图片描述

实时操作系统（RTOS）

RTOS全称为：Real Time OS，就是实时操作系统，强调的是：实时性
1、分而治之：实现功能划分为多个任务
2、延时函数：任务调度，delay的时候去干别的事，不空等
3、抢占式：高优先级任务抢占低优先级任务
4、任务堆栈：每个任务都有自己的栈空间
在这里插入图片描述

2、FreeRTOS简介

更加详细的介绍可以看往期文章【嵌入式实时操作系统（RT-Thread、FreeRTOS、UCOSIII）】

FreeRTOS 是一个免费的嵌入式实时操作系统

  1. 免费开源：FreeRTOS完全免费且开源，无潜在商业风险，无须担心
  2. 高度可裁剪：其核心代码精炼至约9000行，集中分布在3个.c文件中，方便定制和优化
  3. 使用简便：FreeRTOS的用户界面友好，易于理解和操作。
  4. 优先级无限制：任务优先级分配自由，多个任务共享同一优先级
  5. 无限任务数量：理论上，FreeRTOS支持创建无限数量的实时任务，没有软件限制（但受硬件限制）
  6. 多样化的任务调度：支持抢占式、协程式和时间片轮转等多种任务调度方式

3、Freertos调度方式

抢占式——优先级不同的任务

抢占式调度主要是针对优先级不同的任务
每个任务都有一个优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。
在这里插入图片描述

时间片轮转——优先级相同的任务

时间片调度主要针对优先级相同的任务
同等优先级任务轮流地享有相同的 CPU 时间， 叫时间片
当多个任务的优先级相同时，任务调度器会在每一次系统时钟节拍到的时候切换任务。

在FreeRTOS中，一个时间片(Freertos不可设置）就等于 SysTick 中断周期(可设置)
一个时间片大小，取决为滴答定时器中断周期
SysTick 中断周期是可以设置的，可以间接更改时间片

在这里插入图片描述
如果Task运行过程中（还不到一个时间片）阻塞了（系统延时或等待信号量等），直接切换到下个Task
注意没有用完的时间片不会再使用

协程式——不更新

协程式调度当前执行任务将会一直运行，同时高优先级的任务不会抢占低优先级任务
FreeRTOS部分版本还支持，但是官方已经表示不再更新协程式调度

PS：Freertos的四个任务状态

在STM32中，同一时间仅一个任务处于运行态
仅就绪态可转变成运行态，其他状态的任务想运行，必须先转变成就绪态

在这里插入图片描述
就绪态、阻塞态、挂起态的任务都有其对应的任务状态列表
就绪列表pxReadyTasksLists[x]
阻塞列表pxDelayedTaskList[x]
挂起列表xSuspendedTaskList[x]
x：表示优先级

4、Freertos移植（MDK）

官网直接下载就行：https://www.freertos.org/

源码文件夹介绍

解压压缩包，可以看到一堆文件，文件如下表所示

文件/文件夹描述
FreeRTOSFreeRTOS内核
FreeRTOS-PlusFreeRTOS组件
tools工具
GitHub-FreeRTOS-HomeFreeRTOS的GitHub仓库链接
Quick_Start_Guide快速入门指南官方文档链接
Upgrading-to-FreeRTOS-xxx升级到指定FreeRTOS版本官方文档链接
History.txtFreeRTOS历史更新记录

FreeRTOS-Plus包含了TCP，UDP，MQTT等一些组件，但是这些组件一般用三方
最核心的文件夹内就是FreeRTOS——FreeRTOS内核

文件/文件夹描述
DemoFreeRTOS演示例程
LicenseFreeRTOS相关许可
SourceFreeRTOS源码
Test公用以及移植层测试代码

其中最重要的是Source——FreeRTOS源码

文件/文件夹描述
include内包含了FreeRTOS的头文件
portable内包含了FreeRTOS的移植文件
croutine.c协程相关文件
event_groups.c事件相关文件
list.c列表相关文件
queue.c队列相关文件
stream_buffer.c流式缓冲区相关文件
tasks.c任务相关文件
timers.c软件定时器相关文件

其中必要的有include，portable，list.c，queue.c，tasks.c

FreeRTOS操作系统归根到底是软件层面的
portable文件夹里面的东西就是连接桥梁

portable文件夹里面文件很多
在这里插入图片描述

用MDK编辑器的重要文件如下

名称描述
Keil指向RVDS文件夹
RVDS不同内核芯片的移植文件
MemMang内存管理文件

动手移植

这些文件从哪来？
当然还有其他的文档整理方式
在这里插入图片描述

Source文件夹

Source文件夹——FreeRTOS源码就是要移植的文件
前面所说的9个文件/文件夹，文件就不多说，文件夹再仔细看

文件/文件夹描述
include内包含了FreeRTOS的头文件
portable内包含了FreeRTOS的移植文件
croutine.c协程相关文件
event_groups.c事件相关文件
list.c列表相关文件
queue.c队列相关文件
stream_buffer.c流式缓冲区相关文件
tasks.c任务相关文件
timers.c软件定时器相关文件
portable文件夹

接着，就是我们的链接桥梁 portable——内包含了FreeRTOS的移植文件
前文也讲到了用MDK编辑器的重要文件如下

名称描述
Keil指向RVDS文件夹
RVDS不同内核芯片的移植文件
MemMang内存管理文件
Keil文件夹

里面就只有一个 “See-also-the-RVDS-directory.txt”，所以也没什么用

RVDS文件夹

不同内核芯片的移植文件（链接桥梁）

STM32系列Port文件所在文件夹
STM32F1(ARMCC)RVDS/ARM_CM3
STM32F4/STM32G4(ARMCC)RVDS/ARM_CM4F
STM32F7(ARMCC)RVDS/ARM_CM7/r0p1
STM32H7(ARMCC)RVDS/ARM_CM7/r0p1
STM32H5(ARMClang)GCC/ARM_CM33_NTZ

里面都是这两个文件
在这里插入图片描述

MemMang文件夹

内存管理算法
在这里插入图片描述
一般使用的是 “heap_4.c”

这就是我们常见的这些文件从哪里来
在这里插入图片描述

添加 FreeRTOSConfig.h 文件

FreeRTOSConfig.h 配置文件作用：对FreeRTOS的功能进行配置和裁剪，以及API函数的使能等

FreeRTOSConfig.h 是 FreeRTOS 操作系统的配置文件
FreeRTOS 操作系统是可裁剪的，用户可以根据需求对 FreeRTOS 进行裁剪
裁剪掉不需要用到的 FreeRTOS 功能，节约 MCU中内存资源。

INCLUDE前缀：使能FreeRTOS中所需的API函数
在这里插入图片描述
config前缀：FreeRTOS的功能配置和裁剪
在这里插入图片描述

FreeRTOSConfig.h获取途径

途径1：官方历程里拿来用，在文件FreeRTOS——Demo里（可能不靠谱）
途径2：找个靠谱公司的嵌入式历程移植，比如说正点原子
途径3：自己写，官网内核 > 开发者文档 > FreeRTOSConfig.h > 定制 里面介绍了各个功能

看过 “FreeRTOSConfig.h” 就会知道，其实也并没有多难理解
文章下面有解释每个宏的意义
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

移植好了别忘了加路径啊！！！！！！！！

在这里插入图片描述

5、stm32cubeide创建Freertos工程

RCC模式和配置（根据实际情况）

在这里插入图片描述

系统模式与配置

在这里插入图片描述

烧录/调试选择所需的烧录/调试方式
时钟则采用一个定时器作为时钟信号，如果使用Systick，会报如下警告

在这里插入图片描述

FREERTOS模式和配置

Freertos接口（CMSIS）

没有特殊需求的选择接口2
在这里插入图片描述
PS：CMSIS（Cortex Microcontroller Software Interface Standard）
CMSIS_V1和CMSIS_V2版本主要影响的是底层硬件抽象层的标准接口。
分别被称为CMSIS_CORE和CMSIS 5。

  • CMSIS V1 (CMSIS_CORE)
    这是早期的版本，为Cortex-M处理器提供了一个标准的软件接口
    包括了内核外设访问层（CPAL）、调试和DWT（Data Watchpoint and Trace）等功能。
    它是FreeRTOS和其他RTOS的基础，确保了不同厂商的Cortex-M微控制器能够使用统一的API来访问硬件资源。

  • CMSIS V2 (CMSIS 5)
    这是CMSIS的较新版本，引入了一些新的特性和改进
    针对特定系列的STM32增加了额外组件，提供更多的功能和更好的性能。比如DFPs
    CMSIS 5还改进了调试和跟踪机制，增强了与开发工具的兼容性。

参数配置(Config parameters)

在这里插入图片描述
下面是 参数配置(Config parameters) 各项的意义

配置参数意义默认选项
APIFreeRTOS APIAP接口CMSIS V2
VersionsFreeRTOS versionFreeRTOS版本10.0.1
（版本）CMSIS-RTOS versionCMSIS-RTOS版本2
Kernel settingsUSE_PREEMPTION使能抢占式调度器（Disable: 协程式调度器）Enabled
（内核设置）CPU CLOCK HZCPU主频SystemCoreClock
TICK RATE_HZ系统时钟节拍频率1000
MAX PRIORITIES定义最大优先级数56
MINIMAL STACK SIZE定义空闲任务的栈空间大小128 Words
MAX TASK NAME LEN定义任务名最大字符数16
USE_16_BIT_TICKS定义系统时钟节拍计数器的数据类型为16位无符号数Disabled
IDLE SHOULD YIELD使能在抢占式调度下，同优先级的任务能抢占空闲任务Enabled
USE MUTEXES使能互斥信号量Enabled
USE RECURSIVE MUTEXES使能递归互斥信号量Enabled
USE COUNTING SEMAPHORES使能计数信号量Enabled
QUEUE REGISTRY SIZE定义可以注册的消息量和消息队列的个数8
USE APPLICATION TASK TAG使能启用应用程序任务堆栈监视Disabled
ENABLE BACKWARD COMPATIBILITY使能兼容老版本Enabled
USE PORT OPTIMISED TASK SELECTION使用硬件计算下一个要运行的任务Disabled
USE TICKLESS IDLE使能idleless低功耗模式Disabled
USE TASK NOTIFICATIONS使能任务间直接的消息传递包括信号量、事件标志组和消息邮箱Enabled
RECORD STACK HIGH ADDRESS记录任务堆栈的高地址Disabled
Memory management settingsMemory Allocation内存分配方式（默认动态/静态）Dynamic / Static
（内存管理设置）TOTAL HEAP SIZEFreeRTOS堆中可用的RAM总量3072 Bytes
Memory Management scheme内存管理方案（第4章算法）heap_4
Hook function related definitionsUSE IDLE HOOK使能空闲任务钩子函数Disabled
（钩子函数相关定义）USE TICK HOOK使能系统时钟节拍中断钩子函数Disabled
USE MALLOC FAILED_HOOK使能动态内存申请失败钩子函数Disabled
USE DAEMON TASK STARTUP_HOOK使能定时器服务任务首次执行前的钩子函数Disabled
CHECK FOR STACK OVERFLOW使能栈溢出检测方法Disabled
Run time and task stats gathering related definitionsGENERATE RUN TIME STATS使能任务运行时间统计功能Disabled
（收集相关定义的运行时和任务统计信息）USE TRACE FACILITY使能可视化跟踪调试Enabled
USE STATS FORMATTING FUNCTIONS使能编译统计格式化函数Disabled
Co-routine related definitionsUSE CO ROUTINES启用协程Disabled
（协例程相关定义）MAX CO ROUTINE PRIORITIES定义协程的最大优先级2
Software timer definitionsUSE TIMERS使能软件定时器Enabled
（软件定时器定义）TIMER TASK PRIORITY定义软件定时器任务的优先级2
TIMER QUEUE LENGTH定义软件定时器命令队列的长度10
TIMER TASK STACK DEPTH定义软件定时器任务的栈空间大小10
Interrupt nesting behaviour configurationLIBRARY LOWER INTERRUPT PRIORITY中断最低优先级15
（中断嵌套行为配置）LIBRARY MAX SYSCALL INTERRUPT PRIORITYFreeRTOS可管理的最高中断优先级5
任务创建（Tasks） 和 消息队列（Queues）

任务 和 消息队列的创建，在同一个页面
在这里插入图片描述
队列又称消息队列，是一种常用于任务间通信的数据结构
队列可以在任务与任务间、 中断和任务间传递信息
实现了任务接收来自其他任务或中断的不固定长度的消息，任务能够从队列里面读取消息
当队列中的消息是空时，读取消息的任务将被阻塞，用户还可以指定阻塞的任务时间 xTicksToWait
在这段时间中，如果队列为空，该任务将保持阻塞状态以等待队列数据有效。
在这里插入图片描述

代码生成选项

Default：就是生成正常的函数
在这里插入图片描述

As a external：作为一个外部函数
在这里插入图片描述

As weak：生成弱函数，函数可以被重写
在这里插入图片描述

互斥锁（Mutexes） 和 递归互斥锁（Recursive Mutexes）

递归互斥锁，也称为可重入互斥锁，是一种特殊的互斥锁，允许多次尝试以递归的方式锁定同一资源
普通的互斥锁在同一时间只能被一个线程锁定，且必须在同一线程中解锁相同次数才能实际释放锁
相比之下，递归互斥锁可以被同一个线程多次锁定，只要该线程解锁相同的次数就可以释放锁
这种类型的锁通常用于递归函数中，或者在多个线程可能以未知的顺序锁定和解锁资源的情况下

在这里插入图片描述

定时器（Timer） 和 信号量（Semaphore）

定时器是一种硬件或软件机制，可以生成周期性的中断，用于在特定的时间间隔后触发事件
定时器可以设置为一次性触发模式，也可以设置为周期性重复触发模式。
在多任务操作系统中，定时器还用于确定任务的最大执行时间，从而实现任务的实时调度。
在这里插入图片描述
信号量是一个重要的同步工具，用于控制多个进程对共享资源的访问，以防止数据的损坏。
信号量维护一个计数器，该计数器在进程申请资源时递减，在进程释放资源时递增。
当计数器的值大于零时，意味着有可用资源，进程可以直接使用；
当计数器的值为零时，进程必须等待，直到有其他进程释放资源。

事件标志组（Events）

在这里插入图片描述

高级设置（Advanced settings）

在这里插入图片描述

要是不使能的话，就会报如下警告

在这里插入图片描述

其他设置（others）

FreeRTOS Heap Usage——FreeRTOS堆使用情况——改不了，看得懂的，可以看这些数据

在这里插入图片描述

Include parameters——包括参数——看不懂的不要乱改

在这里插入图片描述

生成位置/效果

参数配置(Config parameters)的一系列定义和使能都在 freertos.h文件
创建的任务，消息队列，互斥锁，定时器，信号量，事件标志组等都在 freertos.c文件
这些线程同步方法的具体用法，官网 FreeRTOS 内核开发者文档 有介绍

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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