一、在线下载 FreeRTOS 内核

图 1

图 2

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二、使用STM32CubeMX配置FreeRTOS实时操作系统

1、安装实时操作系统

图3

图4

图5

2、CubeMX配置实时操作系统

图6

图7

图8

图9

三、FreeRTOS 实时操作系统介绍

FreeRTOS 实时操作系统是一种轻量型实时操作系统，实现快速响应

FreeRTOS 实时操作系统是 RTOS 实时操作系统下的一个版本（子集）

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RTOS 实时操作系统具有很多版本：FreeRTOS、RT-Thread、Thread-X……

2.1 裸机开发和系统开发的区别

裸机开发：不使用操作系统，所有驱动代码按照 main.c 中的编写顺序按顺序执行代码。

系统开发：使用操作系统，所有驱动代码支持多进程 / 多线程的并发处理机制，可以实现快速响应。

2.2 多进程和多线程的区别

1. 资源量：进程是资源分配的最小单位，线程是任务调度的最小单位，1 个线程 = 1 个任务；
2. 安全性：进程的用户空间相互独立（IPC 机制），线程同享同一进程下的资源（同步互斥）；
3. 效率：多线程的并发处理的效率更高（进程的上下文切换）。

四、FreeRTOS 实时操作系统的特点

• 小巧与灵活性：FreeRTOS 非常小巧，适合在资源有限的微控制器中运行，但其应用并不仅限于微控制器。开发者可以根据实际应用需求进行定制和配置，选择所需的功能模块。
• 可移植性：FreeRTOS 支持多种处理器架构，并能在不同的硬件平台上运行，这为开发者提供了更大的硬件选择灵活性。
• 实时性：FreeRTOS 提供严格的任务调度机制，确保任务按照预定的优先级和时间约束执行，使其非常适合对时间要求较高的应用场景，如工业控制和汽车电子等领域。
• 丰富的功能：包括任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等。
• 开源与免费：FreeRTOS 是一个开源项目，其源代码可以免费获取和使用，这有助于促进其在开发者社区中的普及和发展。
• FreeRTOS 的应用领域非常广泛，包括但不限于工业控制、汽车电子、智能家居、医疗设备、航空航天等需要实时响应和稳定运行的领域。

五、FreeRTOS 实时操作系统的任务调度机制

linux 操作系统的任务调度机制：默认使用时间片轮询机制，也可以使用抢占式任务调度机制；

FreeRTOS 操作系统的任务调度机制：默认使用抢占式任务调度机制，也可以使用时间片轮询机制。

抢占式任务调度机制：给每个任务/线程分配对应的优先级等级，优先级高的先执行，优先级低的后执行。

注意：

        优先级等级的数字越小，优先级越高

        优先级相同时，使用时间片轮询机制

六、任务的状态

• 就绪态：任务的资源分配成功，等待被运行。
• 运行态：被分配资源的任务使用系统的时间片，成功开始运行。
• 阻塞态：任务中存在耗时、延时（Delay 函数、超时检测等）时，任务处于阻塞状态；处于阻塞状态的任务，可以被别的任务抢占系统的资源，从而运行。
• 挂起态：在任务 1 中使用挂起函数挂起任务 2 ，使任务 2 处于挂起状态，系统不会调用任务 2；需要在别的任务/任务 1 中使用解除挂起函数，解除任务 2 的挂起，使任务 2 处于就绪态。

图 3 任务的状态

七、CubeMX 中配置 FreeRTOS

图 4 设置 FreeRTOS

图 5 heap_1 - heap_5 的选择

图 6 设置 USART1

图 7 设置 Debug 下载接口

图 8 配置 X-CUBE-FREERTOS

将如图所示的 CMSIS RTOS2 选项勾上，在下面进行任务的配置。

图 9 创建任务的相关参数

图 10 新任务创建参数

       一个任务的参数有：任务名、当前优先级、任务大小、任务的入口函数等。

图 11 FreeRTOS 代码生成出现 RTOS 相关警告

如果出现如图 11 所示的 RTOS 相关警告，解决方法如下图：

图 12 警告解决方法

八、CMSIS_RTOS2和FreeRTOS提供的库函数

  os开头的函数：是由ARM定义的所有操作系统都支持的CMSIS_RTOS2通用接口（相当于标准IO）
  x开头的函数：FreeRTOS内核自身提供的函数（相当于文件IO）

1、CMSIS_RTOS2和FreeRTOS的区别

CMSIS_RTOS2是由ARM公司定义的，专门作用于Cortex-M内核的操作系统的通用API标准接口，优点是可移植性强

FreeRTOS是RTOS操作系统中的一个子集，一个具体的操作系统内核

2、CMSIS_RTOS2提供的函数

在cmsis_os2.c这个文件中的所有函数都是由CMSIS_RTOS2所提供的API函数接口
这些API接口在所有Cortex-M内核的实时操作系统中都可以使用
由CMSIS_RTOS2所提供的API接口本质上是由FreeRTOS所提供的API接口包装而成

图

图

3、FreeRTOS提供的函数

图

九、创建线程

1、静态创建线程分配任务资源

1）CubeMX创建线程

图

图

2）CubeMX初始化的代码

（1）主函数

图

（2）定义结构体并填充

图

（3）定义任务入口函数（线程执行函数）

图

（4）向内核申请线程资源

图

2、动态创建线程（手动创建线程）

1）osThreadNew（新建线程函数）

osThreadId_t osThreadNew (osThreadFunc_t func, void *argument, const osThreadAttr_t *attr)
功能：
    CMSIS_RTOS2通用接口下提供的用于创建任务的函数
参数：
    func：当前创建的任务对应的入口函数名（入口函数地址）
    argument：给当前创建的任务对应的入口函数的传参
    attr：当前创建的任务的信息结构体
返回值：
    返回线程标识符，线程对象，创建失败返回NULL
 
// 线程/任务的信息结构体，他需要被传输给内核进行识别
typedef struct {
  const char                   *name;       // 当前被创建的任务的名字，内核通过这个名字识别他
  uint32_t                 attr_bits;       // 当前被创建的任务的特殊属性位
  void                      *cb_mem;        // 当前被创建的任务需要创建在堆区的哪片地址上
  uint32_t                   cb_size;       // 当前被创建的任务需要创建在堆区的空间大小
  void                   *stack_mem;        // 当前被创建的任务需要创建在栈区的哪片地址上
  uint32_t                stack_size;       // 当前被创建的任务需要创建在栈区的空间大小
  osPriority_t              priority;       // 当前被创建的任务的优先级等级
  TZ_ModuleId_t            tz_module;       // 使用MON模式时，受信模块的属性
  uint32_t                  reserved;       // 保留信息
} osThreadAttr_t;
 

2）定义线程对象和参数结构体

图

3）定义任务的入口函数

图

4）初始化新建线程向内核申请资源

图

十、任务/线程间的同步互斥

由于FreeRTOS操作系统中提供的任务的优先等级个数有限
如果任务很多，数量超过优先级个数，就会被操作系统按照任务调取机制随机分配
此时可以引入同步互斥，使相同优先级的任务按照规定的顺序执行

1、二值信号量

信号量本质就是一个数字，一个计数单位，用于记录空间资源的个数
当信号量 > 0 时，代表存在空闲资源，可以申请空闲资源使用
当信号量 = 0 时，代表没有空闲资源，无法申请空闲资源使用
 
二值信号量(二进制信号量)，就是信号量的值只有 0 和 1
 
信号量的核心操作(PV操作)
P操作：申请信号量（信号量 -1）
V操作：释放信号量（信号量 +1）

1）xSemaphoreCreateBinary（创建二值信号量）

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary(void);
功能：
    FreeRTOS内核提供的用于创建二值信号量的函数（初始信号量的值为0，也就是无法申请到信号量）
参数：
    无
返回值：
    函数执行成功，二值信号量创建成功，返回创建成功的二值信号量对象
    函数执行失败，返回NULL
osSemaphoreNew函数也能实现创建信号量的效果

2）xSemaphoreTake（申请信号量）

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xBlockTime)
功能：
    FreeRTOS内核提供的用于申请信号量的函数（不管什么类型的信号量都可以申请，信号量-1）
参数：
    xSemaphore：需要申请的信号量对象
    xBlockTime：超时检测时间，当前函数的最大阻塞时间
返回值：
    函数执行成功，返回pdTRUE（1）
    函数执行失败，返回pdFALSE（0）
osSemaphoreAcquire函数也能实现申请信号量的效果

3）xSemaporeGive（释放信号量）

BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore)
功能：
    FreeRTOS内核提供的用于释放信号量的函数（不管什么类型的信号量都可以释放，信号量+1）
参数：
    xSemaphore：需要释放的信号量对象
返回值：
    函数执行成功，释放信号量成功，返回pdTRUE（1）
    函数执行失败，释放信号量失败，返回pdFALSE（0）
osSemaphoreRelease函数也能实现释放信号量的效果

4）示例代码

 使用二进制信号量，实现默认任务、任务1、任务2、按顺序执行

（1）定义信号量对象

图

（2）创建二值信号量

图

（3）使用二值信号量实现同步

图

（4）程序现象

图

2、计数型信号量

1）xSemaporeCounting（创建计数型信号量）

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting( UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount);
功能：
    FreeRTOS内核提供的用于创建计数型信号量的函数
    计数型信号量：就是信号量的个数有很多
参数：
    uxMaxCount：创建出来的计数型信号量个数的最大值
    uxInitialCount：创建出来的计数型信号量初始个数
返回值：
    函数执行成功，计数型信号量创建成功，函数返回创建成功的计数型信号量对象
    函数执行失败，返回NULL

2）xSemaporeTake（申请信号量）

BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xBlockTime)
功能：
    FreeRTOS内核提供的用于申请信号量的函数（不管什么类型的信号量都可以申请，信号量-1）
参数：
    xSemaphore：需要申请的信号量对象
    xBlockTime：超时检测时间，当前函数的最大阻塞时间
返回值：
    函数执行成功，返回pdTRUE（1）
    函数执行失败，返回pdFALSE（0）
osSemaphoreAcquire函数也能实现申请信号量的效果

3）xSemaporeGive（释放信号量）

BaseType_t xSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore)
功能：
    FreeRTOS内核提供的用于释放信号量的函数（不管什么类型的信号量都可以释放，信号量+1）
参数：
    xSemaphore：需要释放的信号量对象
返回值：
    函数执行成功，释放信号量成功，返回pdTRUE（1）
    函数执行失败，释放信号量失败，返回pdFALSE（0）
osSemaphoreRelease函数也能实现释放信号量的效果

4）示例代码

使用二进制信号量和计数信号量，实现任务1、任务2，交替执行5次，再执行默认任务

（1）定义信号量对象

图

（2）创建信号量

图

（3）使用信号量实现操作

图

（4）程序现象

图

3、事件组（事件标志位）

事件组又称为事件标志位
事件组就是多个事件标志位的集合
 
事件组可以理解为一个寄存器，这个寄存器的每一位都代表一个事件
每一位的值都代表一个事件是否执行成功
如果 某一位的值 = 0 ，则代表这一位对应的事件没有执行
如果 某一位的值 = 1 ，则代表这一位对应的之间执行成功

1）事件组的使用情景

通过多个任务管理一个任务
1. 当所有任务均执行成功后，执行主任务
2. 当诸多任务中有一个执行成功后，执行主任务

2）（创建事件组）

osEventFlagsId_t osEventFlagsNew (const osEventFlagsAttr_t *attr);
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口下用于创建事件组的函数
参数：
    attr：需要创建出来的事件组的信息结构体（可以填充NULL默认属性信息，由FreeRTOS自动分配）
          如果自己填充填充name即可，有特殊需求可以全部自行填充
返回值：
    函数执行成功，代表事件组创建成功，返回创建成功的事件组对象
    函数执行失败，返回NULL
 
// 参数attr的结构体变量
// Attributes structure for event flags.
typedef struct {
  const char                   *name;   ///< name of the event flags
  uint32_t                 attr_bits;   ///< attribute bits
  void                      *cb_mem;    ///< memory for control block
  uint32_t                   cb_size;   ///< size of provided memory for control block
} osEventFlagsAttr_t;

3）（将标志位置一）

uint32_t osEventFlagsSet (osEventFlagsId_t ef_id, uint32_t flags);
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口下用于对事件组中某一位/某些位置1的函数
    置1：代表当前事件执行成功，也就是当前任务执行成功
参数：
    ef_id：需要操作的事件组对象
    flags：需要被置1的事件标志位（需要被置1的对应任务的事件标志位）
返回值：
    函数执行成功，返回osOK（0）
    函数执行失败，返回错误码
 
// os函数使用的返回值
typedef enum {
  osOK                      =  0,         ///< Operation completed successfully.
  osError                   = -1,         ///< Unspecified RTOS error: run-time error but no other error message fits.
  osErrorTimeout            = -2,         ///< Operation not completed within the timeout period.
  osErrorResource           = -3,         ///< Resource not available.
  osErrorParameter          = -4,         ///< Parameter error.
  osErrorNoMemory           = -5,         ///< System is out of memory: it was impossible to allocate or reserve memory for the operation.
  osErrorISR                = -6,         ///< Not allowed in ISR context: the function cannot be called from interrupt service routines.
  osStatusReserved          = 0x7FFFFFFF  ///< Prevents enum down-size compiler optimization.
} osStatus_t;

4）（阻塞等待标志位置一）

uint32_t osEventFlagsWait (osEventFlagsId_t ef_id,
                           uint32_t flags,
                           uint32_t options,
                           uint32_t timeout);
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口下用于阻塞等待对应事件标志位被置1的函数
参数：
    ef_id：需要操作的事件组对象
    flags：需要等待被置1的事件标志位
    options:
            osFlagsWaitAny：等待第二个参数flags中任意一个标志位被置1
            osFlagsWaitAll：等待第二个参数flags中所有标志位被置1
    timeout：超时检测时间，当前函数的最大阻塞时间
            // Timeout value.
            #define osWaitForever         0xFFFFFFFFU ///< Wait forever timeout value.
返回值：
    函数执行成功，返回osOK（0）
    函数执行失败，返回错误码
 
//选择阻塞的状态
// Flags options (\ref osThreadFlagsWait and \ref osEventFlagsWait).
#define osFlagsWaitAny        0x00000000U //等待其中1位被置1
#define osFlagsWaitAll        0x00000001U //等待所有位被置1
#define osFlagsNoClear        0x00000002U //不清除那些已经被设置为等待的标志位
 
//当前函数的错误码
// Flags errors (returned by osThreadFlagsXxxx and osEventFlagsXxxx).
#define osFlagsError          0x80000000U ///< Error indicator.
#define osFlagsErrorUnknown   0xFFFFFFFFU ///< osError (-1).
#define osFlagsErrorTimeout   0xFFFFFFFEU ///< osErrorTimeout (-2).
#define osFlagsErrorResource  0xFFFFFFFDU ///< osErrorResource (-3).
#define osFlagsErrorParameter 0xFFFFFFFCU ///< osErrorParameter (-4).
#define osFlagsErrorISR       0xFFFFFFFAU ///< osErrorISR (-6).
 
 
任务1：对应事件组中的第0位        0x1 << 0    
任务2：对应事件组中的第1位        0x1 << 1
任务3：等待任务1和任务2都被执行完，任务3才能执行
       也就是任务1的事件标志位被置1并且任务2的事件标志位也要被置1，任务3才能执行
       flags = (0x1 << 0)| (0x1 << 1)

5）（将标志位清零）

uint32_t osEventFlagsClear (osEventFlagsId_t ef_id, uint32_t flags)
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口下用于清除对应标志位的函数
参数：
    ef_id：需要操作的事件组对象
    flags：需要清除的事件标志位
返回值：
    函数执行成功，返回osOK
    函数执行失败，返回错误码

6）示例代码

 实现所有任务都完成后，执行默认任务

（1）定义事件组对象

图

（2）定义宏体代表事件组某一位

图

（3）创建事件组

图

（4）操作事件标志位完成功能

图

（5）程序现象

图

7）示例代码

任务1、任务2、任务3中随便一个任务执行成功，都能让默认任务执行

图

图

4、消息队列

消息队列：
    1.默认使用FIFO（先进先出，队列）
    2.可以使用优先级划分消息处理等级（优先级高的消息先被处理，优先级低的消息后被处理）
    3.相同优先级下，遵循FIFO规则，先进先出
    4.消息队列中的消息是一次性的，读取后就不存在于消息队列中了

1）（创建消息队列）

osMessageQueueId_t osMessageQueueNew (uint32_t msg_count, uint32_t msg_size, const osMessageQueueAttr_t *attr) 
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口用于创建一个消息队列的函数
参数：
    msg_count：当前创建的消息队列支持的消息最大个数
    msg_size：当前创建的消息队列中的每个消息的大小，单位为字节
    attr：当前创建的消息队列的信息结构体，需要传递给内核（NULL默认信息）
返回值：
    函数执行成功，代表消息队列创建成功，返回创建成功的消息队列对象
    函数执行失败，返回NULL

2）（向消息队列写入数据）

osStatus_t osMessageQueuePut (osMessageQueueId_t mq_id, const void *msg_ptr, uint8_t msg_prio, uint32_t timeout) 
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口用于向消息队列中写入数据的函数
参数：
    mq_id：需要操作的消息队列对象
    msg_ptr：需要写入到消息队列中的消息
    msg_prio：当前写入到消息队列中的消息的优先级等级
    timeout：超时检测时间，也就是当前函数的最大阻塞时间
返回值：
    函数执行成功，返回osOK（0）
    函数执行失败，返回错误码

3）（从消息队列读取数据）

osStatus_t osMessageQueueGet (osMessageQueueId_t mq_id, void *msg_ptr, uint8_t *msg_prio, uint32_t timeout) 
功能：
    适用于CMSIS_RTOS V2通用接口用于从消息队列中读取数据的函数
参数：
    mq_id：需要操作的消息队列对象
    msg_ptr：从消息队列中读取的消息存储的位置
    msg_prio：需要读取的消息队列中消息的优先级等级
    timeout：超时检测时间，也就是当前函数的最大阻塞时间
返回值：
    函数执行成功，返回osOK（0）
    函数执行失败，返回错误码
 
消息队列的消息优先级等级（0-9级，数字越大，优先级等级越高）
0：普通日志消息
9：紧急消息

4）示例代码

（1）定义消息队列对象

图

（2）创建消息队列

图

（3）操作消息队列完成功能

图

（4）程序现象

图