当代嵌入式系统的开发越来越复杂，实时性要求也越来越高。为了满足这些需求，开发者需要使用实时操作系统（RTOS），其中一个流行的选择是FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）。本篇博客将详细介绍FreeRTOS的特性、任务调度、内存管理、通信机制以及一些示例代码。
1. FreeRTOS简介
FreeRTOS是一个开源的实时操作系统，专门设计用于嵌入式系统。它提供了一套任务调度、内存管理、中断处理和通信机制，使开发者能够更方便地开发实时应用程序。FreeRTOS具有以下特点：
- 开源免费：FreeRTOS遵循GNU通用公共许可证（GPL）的开源协议，可以免费使用和修改。
- 简单轻量：FreeRTOS的内核非常小巧，适用于资源有限的嵌入式系统。
- 可移植性：FreeRTOS提供了可移植的API接口，可以在不同的处理器和开发环境中使用。
- 可裁剪性：FreeRTOS的内核和组件可以根据需求进行裁剪，以减少内存占用和代码大小。
2. 任务调度
FreeRTOS的核心是任务调度器（Task Scheduler），它负责按照一定的调度策略将任务分配给处理器执行。每个任务都是一个独立的函数，可以有不同的优先级和堆栈大小。任务调度器根据任务的优先级和调度策略决定哪个任务被执行。
下面是一个简单的示例代码，展示了如何在FreeRTOS中创建和调度任务：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
// 任务1的函数
void vTask1(void *pvParameters)
{
while (1)
{
// 任务1的代码
}
}
// 任务2的函数
void vTask2(void *pvParameters)
{
while (1)
{
// 任务2的代码
}
}
int main()
{
// 创建任务1
xTaskCreate(vTask1, "Task 1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);
// 创建任务2
xTaskCreate(vTask2, "Task 2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);
// 启动任务调度器
vTaskStartScheduler();
return 0;
}
以上代码中，通过调用xTaskCreate函数创建了两个任务vTask1和vTask2。任务函数中的代码会被不断执行，不需要显式地进行任务调度。在main函数中，通过调用vTaskStartScheduler函数启动了任务调度器，使得任务可以被调度执行。
3. 内存管理
FreeRTOS提供了一套内存管理机制，用于动态分配和释放任务堆栈和其他资源。开发者可以使用FreeRTOS提供的内存分配函数，如pvPortMalloc和vPortFree，来管理内存。
下面是一个示例代码，展示了如何使用FreeRTOS的内存管理函数：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
// 任务的堆栈大小
#define TASK_STACK_SIZE 128
// 任务的优先级
#define TASK_PRIORITY 1
int main()
{
// 创建任务的堆栈
StackType_t *taskStack = (StackType_t *)pvPortMalloc(TASK_STACK_SIZE * sizeof(StackType_t));
// 创建任务
xTaskCreate(vTask, "Task", TASK_STACK_SIZE, NULL, TASK_PRIORITY, NULL);
// 启动任务调度器
vTaskStartScheduler();
// 释放任务的堆栈
vPortFree(taskStack);
return 0;
}
以上代码中，通过调用pvPortMalloc函数动态分配了任务的堆栈空间，然后通过调用vTaskCreate函数创建了任务。在任务执行完毕后，通过调用vPortFree函数释放任务的堆栈空间。
4. 通信机制
FreeRTOS提供了多种通信机制，如信号量、消息队列和事件组，用于实现任务间的通信和同步。
下面是一个示例代码，展示了如何使用FreeRTOS的信号量来实现任务间的同步：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"
// 信号量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;
// 任务1的函数
void vTask1(void *pvParameters)
{
while (1)
{
// 等待信号量
xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);
// 任务1的代码
// 发送信号量
xSemaphoreGive(xSemaphore);
}
}
// 任务2的函数
void vTask2(void *pvParameters)
{
while (1)
{
// 等待信号量
xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);
// 任务2的代码
// 发送信号量
xSemaphoreGive(xSemaphore);
}
}
int main()
{
// 创建信号量
xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
// 创建任务1
xTaskCreate(vTask1, "Task 1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);
// 创建任务2
xTaskCreate(vTask2, "Task 2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);
// 启动任务调度器
vTaskStartScheduler();
// 删除信号量
vSemaphoreDelete(xSemaphore);
return 0;
}
以上代码中，通过调用xSemaphoreCreateBinary函数创建了一个二值信号量。任务1和任务2在执行前都会等待信号量，当某个任务执行完毕后，通过调用xSemaphoreGive函数发送信号量，使得另一个任务可以执行。
5. IO操作
任务：使用freertos进行基于stm32的两个任务控制，一个任务是pa0口控制一个led灯每500ms闪烁一次，另一个任务是pa1口控制一个led灯每1s闪烁一次
#include "stm32f4xx.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
// 定义任务句柄
TaskHandle_t task1Handle, task2Handle;
// 定义任务1的函数
void Task1(void *pvParameters)
{
while(1)
{
// 控制PA0口的LED灯每500ms闪烁一次
GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
}
}
// 定义任务2的函数
void Task2(void *pvParameters)
{
while(1)
{
// 控制PA1口的LED灯每1s闪烁一次
GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
}
}
int main()
{
// 初始化GPIOA的时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; // 输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; // 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 无上下拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度50MHz
// 初始化GPIOA的PA0和PA1口
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 创建任务1
xTaskCreate(Task1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &task1Handle);
// 创建任务2
xTaskCreate(Task2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &task2Handle);
// 启动任务调度器
vTaskStartScheduler();
while(1)
{
// 如果任务调度器启动失败，可以在此处处理异常情况
}
return 0;
}
以上示例代码中，首先使用STM32的库函数RCC_AHB1PeriphClockCmd和GPIO_InitTypeDef初始化GPIO引脚PA0和PA1的设置。然后，在任务1和任务2函数中分别控制PA0口和PA1口的LED灯闪烁，通过调用vTaskDelay函数来实现延时。
在main函数中，使用xTaskCreate函数创建任务1和任务2，并分别传入相应的函数指针、任务名称、堆栈大小和优先级。然后通过调用vTaskStartScheduler函数启动任务调度器。
总结
本篇博客详细介绍了FreeRTOS的特性、任务调度、内存管理、通信机制和举例对STM32的IO口进行操作。
FreeRTOS的源代码和文档可以在官方网站（https://www.freertos.org/）上找到。
