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freeRTOS系列教程之【第一章】FreeRTOS概述与体验

2023-05-16

文章目录

  • 教程目录
  • 1.1 FreeRTOS目录结构
  • 1.1 FreeRTOS目录结构
  • 1.2 核心文件
  • 1.3 移植时涉及的文件
  • 1.4 头文件相关
    • 1.4.1 头文件目录
    • 1.4.2 头文件
  • 1.5 内存管理
  • 1.6 Demo
  • 1.7 数据类型和编程规范
    • 1.7.1 数据类型
    • 1.7.2 变量名
    • 1.7.3 函数名
    • 1.7.4 宏的名
  • 1.8 安装Keil
    • 1.8.1 下载Keil
    • 1.8.2 安装Keil
    • 1.8.3 安装Pack
  • 1.9 使用模拟器运行第1个程序
  • 1.10 使用逻辑分析仪

需要获取更好阅读体验的同学，请访问我专门设立的站点查看，地址：http://rtos.100ask.net/

教程目录

本教程连载中，篇章会比较多，为方便同学们阅读，点击这里可以查看文章的 目录列表，目录列表页面地址：https://blog.csdn.net/thisway_diy/article/details/121399484

1.1 FreeRTOS目录结构

以Keil工具下STM32F103芯片为例，它的FreeRTOS的目录如下:

1.1 FreeRTOS目录结构

以Keil工具下STM32F103芯片为例，它的FreeRTOS的目录如下:

在这里插入图片描述

主要涉及2个目录：

  • Demo
    • Demo目录下是工程文件，以"芯片和编译器"组合成一个名字
    • 比如：CORTEX_STM32F103_Keil
  • Source
    • 根目录下是核心文件，这些文件是通用的
    • portable目录下是移植时需要实现的文件
      • 目录名为：[compiler]/[architecture]
      • 比如：RVDS/ARM_CM3，这表示cortexM3架构在RVDS工具上的移植文件

1.2 核心文件

FreeRTOS的最核心文件只有2个：

  • FreeRTOS/Source/tasks.c
  • FreeRTOS/Source/list.c

其他文件的作用也一起列表如下：

FreeRTOS/Source/下的文件作用
tasks.c必需，任务操作
list.c必须，列表
queue.c基本必需，提供队列操作、信号量(semaphore)操作
timer.c可选，software timer
event_groups.c可选，提供event group功能
croutine.c可选，过时了

1.3 移植时涉及的文件

移植FreeRTOS时涉及的文件放在FreeRTOS/Source/portable/[compiler]/[architecture]目录下，

比如：RVDS/ARM_CM3，这表示cortexM3架构在RVDS或Keil工具上的移植文件。

里面有2个文件：

  • port.c
  • portmacro.h

1.4 头文件相关

1.4.1 头文件目录

FreeRTOS需要3个头文件目录：

  • FreeRTOS本身的头文件：FreeRTOS/Source/include
  • 移植时用到的头文件：FreeRTOS/Source/portable/[compiler]/[architecture]
  • 含有配置文件FreeRTOSConfig.h的目录

1.4.2 头文件

列表如下：

头文件作用
FreeRTOSConfig.hFreeRTOS的配置文件，比如选择调度算法：configUSE_PREEMPTION
每个demo都必定含有FreeRTOSConfig.h
建议去修改demo中的FreeRTOSConfig.h，而不是从头写一个
FreeRTOS.h使用FreeRTOS API函数时，必须包含此文件。
在FreeRTOS.h之后，再去包含其他头文件，比如：
task.h、queue.h、semphr.h、event_group.h

1.5 内存管理

文件在FreeRTOS/Source/portable/MemMang下，它也是放在portable目录下，表示你可以提供自己的函数。

源码中默认提供了5个文件，对应内存管理的5种方法。

参考文章：FreeRTOS说明书吐血整理【适合新手+入门】

后续章节会详细讲解。

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

1.6 Demo

Demo目录下是预先配置好的、没有编译错误的工程。目的是让你可以基于它进行修改，以适配你的单板。

这些Demo还可以继续精简：

  • Demo/Common中的文件可以完全删除
  • main函数中只需要保留2个函数：
    • prvSetupHardware()
    • vTaskStartScheduler()
    • 如下图所示

在这里插入图片描述

1.7 数据类型和编程规范

1.7.1 数据类型

每个移植的版本都含有自己的portmacro.h头文件，里面定义了2个数据类型：

  • TickType_t：
    • FreeRTOS配置了一个周期性的时钟中断：Tick Interrupt
    • 每发生一次中断，中断次数累加，这被称为tick count
    • tick count这个变量的类型就是TickType_t
    • TickType_t可以是16位的，也可以是32位的
    • FreeRTOSConfig.h中定义configUSE_16_BIT_TICKS时，TickType_t就是uint16_t
    • 否则TickType_t就是uint32_t
    • 对于32位架构，建议把TickType_t配置为uint32_t
  • BaseType_t：
    • 这是该架构最高效的数据类型
    • 32位架构中，它就是uint32_t
    • 16位架构中，它就是uint16_t
    • 8位架构中，它就是uint8_t
    • BaseType_t通常用作简单的返回值的类型，还有逻辑值，比如pdTRUE/pdFALSE

1.7.2 变量名

变量名有前缀：

变量名前缀含义
cchar
sint16_t，short
lint32_t，long
xBaseType_t，
其他非标准的类型：结构体、task handle、queue handle等
uunsigned
p指针
ucuint8_t，unsigned char
pcchar指针

1.7.3 函数名

函数名的前缀有2部分：返回值类型、在哪个文件定义。

函数名前缀含义
vTaskPrioritySet返回值类型：void
在task.c中定义
xQueueReceive返回值类型：BaseType_t
在queue.c中定义
pvTimerGetTimerID返回值类型：pointer to void
在tmer.c中定义

1.7.4 宏的名

宏的名字是大小，可以添加小写的前缀。前缀是用来表示：宏在哪个文件中定义。

宏的前缀含义：在哪个文件里定义
port (比如portMAX_DELAY)portable.h或portmacro.h
task (比如taskENTER_CRITICAL())task.h
pd (比如pdTRUE)projdefs.h
config (比如configUSE_PREEMPTION)FreeRTOSConfig.h
err (比如errQUEUE_FULL)projdefs.h

通用的宏定义如下：

宏值
pdTRUE1
pdFALSE0
pdPASS1
pdFAIL0

1.8 安装Keil

本教程的所有程序，都是使用Keil开发，运行在Keil的模拟器上。

1.8.1 下载Keil

Keil-MDK（Keil ARM Microcontroller Development Kit）前生是德国Keil公司，后被ARM收购，是ARM官方的集成开发环境。

打开Keil官网（https://www.keil.com/download/product/），点击“MDK-Arm”进行下载。

在这里插入图片描述

随后进入个人信息完善页面，按提示填写所有的信息，如下图所示，填写完后，点击“Submit”提交。

在这里插入图片描述

随后进入下载页面，点击“MDK532.EXE”即可下载。

在这里插入图片描述

1.8.2 安装Keil

下载完后，点击运行该文件，进入安装界面，选择“Next >>”。

在这里插入图片描述

接着进入用户协议界面，勾选同意协议，点击“Next >>”。

在这里插入图片描述

然后设置安装路径，如下图所示：

  • 第一个“Core”是软件的安装路径，

  • 第二个“Pack”是芯片的硬件支持包的安装路径，

保持默认路径或者设置为如下图所示一样的即可。

如果是自定义设置，建议为全英文路径，不建议为包含有中文的路径。

选择好之后点击“Next >>”。

在这里插入图片描述

随后需要设置个人信息，随便填写即可，如下图所示。

在这里插入图片描述
之后便进入安装进度界面，等待安装完成。

安装过程中，回弹出驱动安装界面，勾选“始终信任来自‘ARM Ltd’的软件”，然后点击“安装”，如下图。

在这里插入图片描述
之后会自动进入“Pack Installer”界面，这里会检查安装的编译器、CMSIS等是否是最新的，由于我们安装的是官网提供的最新的MDK，所以这里一般情况下都是不需要更新的。

1.8.3 安装Pack

一个Keil的开发环境，除了Keil软件，还需要安装对应的Pack。

比如这里目标机的MCU是STM32F103ZET6，就需要下载该系列的的Pack，如果是STM32F4系列，就需要下其它系列Pack。

使用“Pack Installer”可以方便的对Pack安装和管理。

在左上角搜索框输入“STM32F103”，展开搜索结果，可以看到STM32F103ZE，点击右边的简介链接即可跳转到Pack下载页面。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

下载完成得到“Keil.STM32F1xx_DFP.2.3.0.pack”。

直接双击该文件，随后弹出如下图所示界面，点击“Next”进行安装。

在这里插入图片描述

至此，Keil和Pack就安装完成了。

1.9 使用模拟器运行第1个程序

先获取配套示例代码。

双击"FreeRTOS_01_create_task\FreeRTOS\Demo\CORTEX_STM32F103_Keil\RTOSDemo.uvprojx"打开第一个示例。

打开之后，首先要编译工程，才能使用模拟器运行，点击"Build"图标进行编译，如下图所示：
在这里插入图片描述

编译完成后，点击"Debug"按钮进行仿真，如下图所示：
在这里插入图片描述

第一个程序里面创建了两个任务，两个任务一直打印各自的信息。

这里需要打开串口显示模拟窗口，显示任务的打印内容。

点击左上角菜单的“View”，然后选择“Serial Windows”，点击“UART #1”，如下图所示：

在这里插入图片描述

最后，点击“Run”运行程序，右下角串口显示窗口将打印两个任务的信息。

在这里插入图片描述

如果想退出模拟器仿真，再次"Debug"按钮退出，如下图所示：

在这里插入图片描述

1.10 使用逻辑分析仪

本课程的程序有两种输出方式：

  • 串口：查看打印信息
  • 逻辑分析仪：观察全局变量的波形，根据波形解析任务调度情况

下面举例说明逻辑分析仪的用法。

双击"FreeRTOS_06_taskdelay\FreeRTOS\Demo\CORTEX_STM32F103_Keil\RTOSDemo.uvprojx"打开该示例。

打开之后，首先要编译工程，点击"Build"图标进行编译。

编译完成后，点击"Debug"按钮进行仿真。

本实例使用模拟器的逻辑分析仪观察现象。

首先在“main.c”的主函数加入断点，在代码行前的灰色处，点击一下就会有一个红色小点，就是设置的“断点”。

在这里插入图片描述

然后点击“Run”运行，程序运行到断点位置，就会停下来等待下一步操作：

  • 在代码中找到全局变量flag

  • 鼠标选中flag，然后点击鼠标右键，在弹出的菜单里选择"Add ‘flag’ to…"，选择“Analyzer”，

    如下图所示：
    在这里插入图片描述
    此时在代码框上面，就会出现逻辑分析仪“Logic Analyzer”显示窗口，里面分析的就是变量flag。

点击这个flag，然后右键，选择“Bit”，以便观察，如下图所示：
在这里插入图片描述

再点击一下“Run”，继续运行，此时逻辑分析仪窗口显示变量flag的bit值变化，如下图所示：
在这里插入图片描述

在逻辑分析仪窗口，可以使用鼠标滚轮放大、缩小波形。

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