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FreeRTOS第一步：创建多任务

2023-05-16

 

 

目录

单片机裸机开发与基于操作系统开发

FreeRTOS介绍

创建多任务—SRAM 动态内存

一、动态内存空间的堆从哪里来：

二、定义任务函数：

三、定义任务栈：

四、定义任务控制块指针：

五、动态创建任务：

六、启动任务：

七、多任务—SRAM 动态内存的main.c：

单片机裸机开发与基于操作系统开发

        裸机就是执行单任务的单片机，对应的访问方式有轮询、中断和DMA（直接存储器访问，看单片机是否支持），这里的操作系统一般指嵌入式开发的操作系统，常见的有uc/os、FreeRTOS、RT-Thread和Linux等。由于操作系统具有并发性，所以可以支持多任务运行，本质上可以认为是裸机开发效率的提升。       

        单片机开发的一个特点就是裸机编程。也就是说内核跑的就是你写的代码（裸机运行的程序代码，一般由一个main函数中的while死循环和各种中断服务程序组成，平时CPU执行while循环中的代码，出现其他事件时，跳转到中断服务程序进行处理，没有多任务、线程的概念）。

        但在操作系统上编程就完全不一样了，因为你的程序大部分都在调用操作系统的接口函数，从而间接地管理硬件。在引入操作系统后，程序执行时可以把一个应用程序分割为多个任务，每个任务完成一部分工作，并且每个任务都可以写成死循环。操作系统根据任务的优先级，通过调度器使CPU分时执行各个任务，保证每个任务都能够得到运行。由操作系统的任务管理衍生出相应的CPU管理、内存管理，它们分别负责分配任务对CPU的占有权和管理任务所占有的内存空间。在linux操作系统中，还具有文件管理、I/O设备管理的功能。

总结：

在（单核）单片机中，它的硬件结构决定了CPU只能在一个时间段做一件事情。

因此就需要移植操作系统。

 

FreeRTOS介绍

（参考：FreeRTOS系列第1篇---为什么选择FreeRTOS；从0到1学习FreeRTOS）

RTOS：Real Time OS，实时操作系统，实时性就是规定什么时间做什么任务。假如同一时刻需要执行两个或多个任务，可以人为地把任务划分优先级。

       FreeRTOS是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，而且没有任务限制。FreeRTOS提供了实时操作系统所需的所有功能，包括资源管理、同步、任务通信等。RTOS的内核负责管理所有任务，内核决定了运行哪个任务，何时停止当前任务切换到其他任务，这个是内核的多任务管理能力。“可剥夺内核”意思就是可以剥夺其他任务的CPU使用权，它总是运行就绪任务中的优先级最高的那个任务。

创建多任务—SRAM 动态内存

两个任务：

  • 让一个 LED 灯闪烁；
  • 让另外一个 LED 闪烁，两个 LED 闪烁的频率不一样。

一、动态内存空间的堆从哪里来：

        在创建单任务—SRAM 静态内存的例程中，任务控制块和任务栈的内存空间都是从内部的 SRAM 里面分配的，具体分配到哪个地址由编译器决定。

        现在我们开始使用动态内存，即堆，其实堆也是内存，也属于 SRAM。 FreeRTOS 做法是在 SRAM 里面定义一个大数组，也就是堆内存，供 FreeRTOS 的动态内存分配函数使用，在第一次使用的时候，系统会将定义的堆内存进行初始化，这些代码在 FreeRTOS 提供的内存管理方案中实现（heap_1.c、heap_2.c、 heap_4.c 等）。
 

//系统所有总的堆大小
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)(36*1024))//堆内存的大小为configTOTAL_HEAP_SIZE,在FreeRTOSConfig.h 中由我们自己定义， configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 这个宏定义在使用 FreeRTOS 操作系统的时候必须开启。
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ];//从内部 SRAMM 里面定义一个静态数组 ucHeap，大小由configTOTAL_HEAP_SIZE 这个宏决定， 目前定义为 36KB。定义的堆大小不能超过内部SRAM 的总大小。
/* 如果这是第一次调用 malloc 那么堆将需要
初始化， 以设置空闲块列表，方便以后分配内存，初始化完成之后会取得堆的结束地址，在 MemMang 中的5 个内存分配 heap_x.c 文件中实现。 */
if ( pxEnd == NULL )
{
prvHeapInit();
} else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}

二、定义任务函数：

        使用动态内存的时候，任务的主体函数与使用静态内存时是一样的。

/**********************************************************************
  * @ 函数名  ： LED_Task
  * @ 功能说明： LED_Task任务主体
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  ********************************************************************/
static void LED_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED1_ON;
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
        printf("LED_Task Running,LED1_ON\r\n");
        
        LED1_OFF;     
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */		 		
        printf("LED_Task Running,LED1_OFF\r\n");
    }
}

三、定义任务栈：

        使用动态内存的时候，任务栈在任务创建的时候创建，不用跟使用静态内存那样要预先定义好一个全局的静态的栈空间，动态内存就是按需分配内存，随用随取。

四、定义任务控制块指针：

        使用动态内存时候，不用跟使用静态内存那样要预先定义好一个全局的静态的任务控制块空间。任务控制块是在任务创建的时候分配内存空间创建，任务创建函数会返回一个指针，用于指向任务控制块，所以要预先为任务栈定义一个任务控制块指针，也是我们常说的任务句柄，具体见下面的代码。
 

/**************************** 任务句柄 ********************************/
/* 
 * 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
 * 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
 * 这个句柄可以为NULL。
 */
 /* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
/* LED任务句柄 */
static TaskHandle_t LED_Task_Handle = NULL;

五、动态创建任务：

       使用静态内存时，使用 xTaskCreateStatic()来创建一个任务，而使用动态内存的时，则使用 xTaskCreate()函数来创建一个任务。

   /* 创建AppTaskCreate任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,  /* 任务入口函数---即任务函数的名称，需要我们自己定义并且实现。*/
                        (const char*    )"AppTaskCreate",/* 任务名字---字符串形式， 最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，这里任务名字最好要与任务函数入口名字一致，方便进行调试。*/
                        (uint16_t       )512,  /* 任务栈大小---字符串形式， 最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，这里任务名字最好要与任务函数入口名字一致，方便进行调试。*/
                        (void*          )NULL,/* 任务入口函数参数---字符串形式， 最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，这里任务名字最好要与任务函数入口名字一致，方便进行调试。*/
                        (UBaseType_t    )1, /* 任务的优先级---优先级范围根据 FreeRTOSConfig.h 中的宏configMAX_PRIORITIES 决定， 如果使能 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION，这个宏定义，则最多支持 32 个优先级；如果不用特殊方法查找下一个运行的任务，那么则不强制要求限制最大可用优先级数目。在 FreeRTOS 中， 数值越大优先级越高， 0 代表最低优先级。*/
                        (TaskHandle_t*  )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针---在使用内存的时候，需要给任务初始化函数xTaskCreateStatic()传递预先定义好的任务控制块的指针。在使用动态内存的时候，任务创建函数 xTaskCreate()会返回一个指针指向任务控制块，该任务控制块是 xTaskCreate()函数里面动态分配的一块内存。*/ 
  /* 启动任务调度 */           
  if(pdPASS == xReturn)
    vTaskStartScheduler();   /* 启动任务，开启调度 */

六、启动任务：

        当任务创建好后，是处于任务就绪（Ready） ，在就绪态的任务可以参与操作系统的调度。但是此时任务仅仅是创建了，还未开启任务调度器，也没创建空闲任务与定时器任务（如果使能了 configUSE_TIMERS 这个宏定义），那这两个任务就是在启动任务调度器中实现，每个操作系统，任务调度器只启动一次，之后就不会再次执行了， FreeRTOS 中启动任务调度器的函数是 vTaskStartScheduler()，并且启动任务调度器的时候就不会返回，从此任务管理都由FreeRTOS 管理，此时才是真正进入实时操作系统中的第一步，具体见下面的代码。

/* 启动任务调度 */
if (pdPASS == xReturn)
vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
else
return -1;

 

七、多任务—SRAM 动态内存的main.c：

/**
  ******************************************************************************
  * @file    main.c
  * @author  Sumjess
  * @version V1.0
  * @date    2019-09-xx
  * @brief   MDK5.27
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * 实验平台   :STM32 F429 
  * CSDN Blog  :https://blog.csdn.net/qq_38351824
  * 微信公众号 :Tech云
  *
  ******************************************************************************
  */
  
/*
*************************************************************************
*                             包含的头文件
*************************************************************************
*/ 
/* FreeRTOS头文件 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
/* 开发板硬件bsp头文件 */
#include "sum_common.h"                  
 
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/* 
 * 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
 * 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
 * 这个句柄可以为NULL。
 */
 /* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
/* LED1任务句柄 */
static TaskHandle_t LED1_Task_Handle = NULL;
/* LED2任务句柄 */
static TaskHandle_t LED2_Task_Handle = NULL;
 
/********************************** 内核对象句柄 *********************************/
/*
 * 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
 * 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
 * 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
 *
 * 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
 * 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
 * 来完成的
 * 
 */
 
 
/******************************* 全局变量声明 ************************************/
/*
 * 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
 */
 
 
/*
*************************************************************************
*                             函数声明
*************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
 
static void LED1_Task(void* pvParameters);/* LED1_Task任务实现 */
static void LED2_Task(void* pvParameters);/* LED2_Task任务实现 */
 
static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
 
 
/*****************************************************************
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  * @note   第一步：开发板硬件初始化 
            第二步：创建APP应用任务
            第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
  ****************************************************************/
int main(void)
{	
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
 
  /* 开发板硬件初始化 */
  BSP_Init();
  printf("这是一个FreeRTOS-动态创建任务!\r\n");
   /* 创建AppTaskCreate任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,  /* 任务入口函数---即任务函数的名称，需要我们自己定义并且实现。*/
                        (const char*    )"AppTaskCreate",/* 任务名字---字符串形式， 最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，这里任务名字最好要与任务函数入口名字一致，方便进行调试。*/
                        (uint16_t       )512,  /* 任务栈大小---字符串形式， 最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，这里任务名字最好要与任务函数入口名字一致，方便进行调试。*/
                        (void*          )NULL,/* 任务入口函数参数---字符串形式， 最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，这里任务名字最好要与任务函数入口名字一致，方便进行调试。*/
                        (UBaseType_t    )1, /* 任务的优先级---优先级范围根据 FreeRTOSConfig.h 中的宏configMAX_PRIORITIES 决定， 如果使能 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION，这个宏定义，则最多支持 32 个优先级；如果不用特殊方法查找下一个运行的任务，那么则不强制要求限制最大可用优先级数目。在 FreeRTOS 中， 数值越大优先级越高， 0 代表最低优先级。*/
                        (TaskHandle_t*  )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针---在使用内存的时候，需要给任务初始化函数xTaskCreateStatic()传递预先定义好的任务控制块的指针。在使用动态内存的时候，任务创建函数 xTaskCreate()会返回一个指针指向任务控制块，该任务控制块是 xTaskCreate()函数里面动态分配的一块内存。*/ 
 /* 启动任务调度。*/          
  if(pdPASS == xReturn)
    vTaskStartScheduler();   /* 启动任务，开启调度 */
  else
    return -1;  
  
  while(1);   /* 正常不会执行到这里 */    
}
 
 
/***********************************************************************
  * @ 函数名  ： AppTaskCreate
  * @ 功能说明： 为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
  * @ 参数    ： 无  
  * @ 返回值  ： 无
  **********************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
  BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
  
  taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
  
  /* 创建LED_Task任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED1_Task, /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"LED1_Task",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,	/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )2,	    /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&LED1_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  if(pdPASS == xReturn)
    printf("创建LED1_Task任务成功!\r\n");
  
	/* 创建LED_Task任务 */
  xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED2_Task, /* 任务入口函数 */
                        (const char*    )"LED2_Task",/* 任务名字 */
                        (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
                        (void*          )NULL,	/* 任务入口函数参数 */
                        (UBaseType_t    )3,	    /* 任务的优先级 */
                        (TaskHandle_t*  )&LED2_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  if(pdPASS == xReturn)
    printf("创建LED2_Task任务成功!\r\n");
  
  vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
  
  taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
}
 
 
/**********************************************************************
  * @ 函数名  ： LED_Task
  * @ 功能说明： LED_Task任务主体
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  ********************************************************************/
static void LED1_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED1_ON;
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
        printf("LED1_Task Running,LED1_ON\r\n");
        
        LED1_OFF;     
        vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */		 		
        printf("LED1_Task Running,LED1_OFF\r\n");
    }
}
 
/**********************************************************************
  * @ 函数名  ： LED_Task
  * @ 功能说明： LED_Task任务主体
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  ********************************************************************/
static void LED2_Task(void* parameter)
{	
    while (1)
    {
        LED2_ON;
        vTaskDelay(1000);   /* 延时1000个tick */
        printf("LED2_Task Running,LED2_ON\r\n");
        
        LED2_OFF;     
        vTaskDelay(1000);   /* 延时1000个tick */		 		
        printf("LED2_Task Running,LED2_OFF\r\n");
    }
}
/***********************************************************************
  * @ 函数名  ： BSP_Init
  * @ 功能说明： 板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
  * @ 参数    ：   
  * @ 返回值  ： 无
  *********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
	/*
	 * STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
	 * 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
	 * 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
	 */
	NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
	
	/* LED 初始化 */
	LED_GPIO_Config();
 
	/* 串口初始化	*/
	Debug_USART_Config();
  
}
 
/********************************END OF FILE****************************/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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