一、FreeRTOS简介

FreeRTOS 是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，而且没有任务数限制。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。

FreeRTOS 是用 C 和汇编来写的，其中绝大部分都是用 C 语言编写的，只有极少数的与处理器密切相关的部分代码才是用汇编写的，FreeRTOS 结构简洁，可读性很强！最主要的是非常适合初次接触嵌入式实时操作系统学生、嵌入式系统开发人员和爱好者学习。

最新版本 V9.0.0（2016年），尽管现在 FreeRTOS 的版本已经更新到 V10.4.1 了，但是我们还是选择 V9.0.0，因为内核很稳定，并且网上资料很多，因为 V10.0.0 版本之后是亚马逊收购了FreeRTOS之后才出来的版本，主要添加了一些云端组件，一般采用 V9.0.0 版本足以。

FreeRTOS官网：http://www.freertos.org/
代码托管网站：https://sourceforge.net/projects/freertos/files/FreeRTOS/

RTOS的多个工作流如下图示：

RTOS工作原理如下图示：

RTOS通用组件如下图示：

RTOS的特点：

• 更好的事件实时处理机制
• 更高效利用CPU资源
• 通用的任务管理框架

FreeRTOS介绍

FreeRTOS是RTOS的一种，尺寸非常小，可运行于微控制器上。微控制器是尺寸小，资源受限的处理器，它在单个芯片上包含了处理器本身、用于保存要执行的程序的只读存储器（ROM或Flash）、所执行程序需要的随机存取存储器（RAM），一般情况下程序直接从只读存储器执行

微控制器用于深度嵌入式应用，一般都有非常明确、专门的工作。尺寸的限制以及专用的终端应用等性质，令其很少能使用完整的RTOS实现。因此FreeRTOS仅为内核提供了实时调度功能、任务间通信、时序和同步原语。更准确地说，它是一个实时内核，或实时执行器。命令控制台界面、网络栈等额外的功能可作为附加组件

在实际使用FreeRTOS的时候我们需要根据自已的需求来配置FreeRTOS，不同架构的MCU在使用的时候配置也不同，下面介绍FreeRTOS配置文件详解

• 内核配置一

• 内核配置二

• 内存管理

• 任务运行信息获取配置

• 软件定时器

• 中断优先级

• 函数Include配置

二、硬件设计

本实验通过freertos创建两个任务来分别控制LED2和LED3的亮灭，需要用到的硬件资源

• LED2和LED3指示灯
• 串口
• 

三、STM32CubeMX设置

1、基础设置

• RCC设置外接HSE，时钟设置为72MHz；TIM3的时钟挂载在APB1 Time Clocks上为72MHz。
• 打开串口中断，波特率设置为115200. 
• PB5/PE1设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平。

2、FreeRtos设置

 （1）、在 System Core 中选择 SYS ，对 Timebase Source 进行设置，选择 TIM1 作为HAL库的时基（除了 SysTick 外都可以）。

在基于STM32 HAL的项目中，一般需要维护的 “时基” 主要有2个：

1. HAL的时基，SYS Timebase Source
2. OS的时基（仅在使用OS的情况下才考虑）

而这些 “时基” 该去如何维护，主要分为两种情况考虑：

裸机运行：
可以通过 SysTick（滴答定时器）或 （TIMx）定时器 的方式来维护 SYS Timebase Source，也就是HAL库中的 uwTick，这是HAL库中维护的一个全局变量。在裸机运行的情况下，我们一般选择默认的 SysTick（滴答定时器） 方式即可，也就是直接放在 SysTick_Handler() 中断服务函数中来维护。

带OS运行：
前面提到的 SYS Timebase Source 是STM32的HAL库中的新增部分，主要用于实现 HAL_Delay() 以及作为各种 timeout 的时钟基准。

在使用了OS（操作系统）之后，OS的运行也需要一个时钟基准（简称“时基”），来对任务和时间等进行管理。而OS的这个 时基 一般也都是通过 SysTick（滴答定时器） 来维护的，这时就需要考虑 “HAL的时基” 和 “OS的时基” 是否要共用 SysTick（滴答定时器） 了。

如果共用SysTick，当我们在CubeMX中选择启用FreeRTOS之后，在生成代码时，CubeMX一定会报如下提示：

强烈建议用户在使用FreeRTOS的时候，不要使用 SysTick（滴答定时器）作为 “HAL的时基”，因为FreeRTOS要用，最好是要换一个！！！如果共用，潜在一定风险。 

 （2）、在 Middleware 中选择 FREERTOS 设置，并选择 CMSIS_V1 接口版本

CMSIS是一种接口标准，目的是屏蔽软硬件差异以提高软件的兼容性。RTOS v1使得软件能够在不同的实时操作系统下运行（屏蔽不同RTOS提供的API的差别），而RTOS v2则是拓展了RTOS v1，兼容更多的CPU架构和实时操作系统。因此我们在使用时可以根据实际情况选择，如果学习过程中使用STM32F1、F4等单片机时没必要选择RTOS v2，更高的兼容性背后时更加冗余的代码，理解起来比较困难。

（3）、在 Config parameters 进行具体参数配置。

Kernel settings：

• USE_PREEMPTION： Enabled：RTOS使用抢占式调度器；Disabled：RTOS使用协作式调度器（时间片）。
• TICK_RATE_HZ： 值设置为1000，即周期就是1ms。RTOS系统节拍中断的频率，单位为HZ。
• MAX_PRIORITIES： （默认）：可使用的最大优先级数量。设置好以后任务就可以使用从0到（MAX_PRIORITIES - 1）的优先级，其中0位最低优先级，（MAX_PRIORITIES - 1）为最高优先级。
• MINIMAL_STACK_SIZE：（默认128）： 设置空闲任务的最小任务堆栈大小，以字为单位，而不是字节。如该值设置为128 Words，那么真正的堆栈大小就是 128*4 = 512 Byte。
• MAX_TASK_NAME_LEN：（默认16）： 设置任务名称最大长度。
• IDLE_SHOULD_YIELD： 默认Enabled 空闲任务放弃CPU使用权给其他同优先级的用户任务。
• USE_MUTEXES：默认Enabled 为1时使用互斥信号量，相关的API函数会被编译。
• USE_RECURSIVE_MUTEXES：默认Enabled 为1时使用递归互斥信号量，相关的API函数会被编译。
• USE_COUNTING_SEMAPHORES：默认Enabled 为1时启用计数型信号量， 相关的API函数会被编译。
• QUEUE_REGISTRY_SIZE：（默认8） 设置可以注册的队列和信号量的最大数量，在使用内核调试器查看信号量和队列的时候需要设置此宏，而且要先将消息队列和信号量进行注册，只有注册了的队列和信号量才会在内核调试器中看到，如果不使用内核调试器的话此宏设置为0即可。
• USE_APPLICATION_TASK_TAG：（默认Disable） 为1时可以使用vTaskSetApplicationTaskTag函数。
• ENABLE_BACKWARD_COMPATIBILITY：（默认Enabled ） 为1时可以使V8.0.0之前的FreeRTOS用户代码直接升级到V8.0.0之后，而不需要做任何修改。
• USE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION：（默认Enabled ） FreeRTOS有两种方法来选择下一个要运行的任务，一个是通用的方法，另外一个是特殊的方法，也就是硬件方法，使用MCU自带的硬件指令来实现。STM32有计算前导零指令吗，所以这里强制置1。
• USE_TICKLESS_IDLE： 置1（Built in functionality enabled）：使能低功耗tickless模式；置0：保持系统节拍（tick）中断一直运行。假设开启低功耗的话可能会导致下载出现问题，因为程序在睡眠中，可用ISP下载办法解决。
• USE_TASK_NOTIFICATIONS： （默认Enabled ）为1时使用任务通知功能，相关的API函数会被编译。开启了此功能，每个任务会多消耗8个字节。
• RECORD_STACK_HIGH_ADDRESS：（默认Disable） 为1时栈开始地址会被保存到每个任务的TCB中（假如栈是向下生长的）。

Memory management settings：

• Memory Allocation： Dynamic/Static 支持动态/静态内存申请
• TOTAL_HEAP_SIZE： 默认，设置堆大小，如果使用了动态内存管理，FreeRTOS在创建 task, queue, mutex, software timer or semaphore的时候就会使用heap_x.c(x为1~5)中的内存申请函数来申请内存。这些内存就是从堆ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]中申请的。
• Memory Management scheme： 内存管理策略 heap_4。

Hook function related definitions：

• USE_IDLE_HOOK： 默认， 置1：使用空闲钩子（Idle Hook类似于回调函数）；置0：忽略空闲钩子。
• USE_TICK_HOOK： 默认， 置1：使用时间片钩子（Tick Hook）；置0：忽略时间片钩子。
• USE_MALLOC_FAILED_HOOK： 默认， 使用内存申请失败钩子函数。
• CHECK_FOR_STACK_OVERFLOW： 默认， 大于0时启用堆栈溢出检测功能，如果使用此功能用户必须提供一个栈溢出钩子函数，如果使用的话此值可以为1或者2，因为有两种栈溢出检测方法。

Run time and task stats gathering related definitions：

• GENERATE_RUN_TIME_STATS： 启用运行时间统计功能。
• USE_TRACE_FACILITY： 启用可视化跟踪调试。
• USE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS： 与宏configUSE_TRACE_FACILITY同时为1时会编译下面3个函数prvWriteNameToBuffer()、vTaskList()、vTaskGetRunTimeStats()。

Co-routine related definitions：

• USE_CO_ROUTINES： 启用协程Enabled 。
• MAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES： 协程的有效优先级数目2。

Software timer definitions：

• USE_TIMERS： 启用软件定时器Enabled 。

Interrupt nesting behaviour configuration：

• LIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY： 中断最低优先级。
• LIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY： 系统可管理的最高中断优先级。

 （4）、创建任务Task，在 Tasks and Queues 进行配置。

 默认空闲任务是在系统无其它任务执行时执行。

 然后我们创建两个LED任务。

• Task Name： 任务名称
• Priority： 优先级，在 FreeRTOS 中，数值越大优先级越高，0 代表最低优先级
• Stack Size (Words)： 堆栈大小，单位为字，在32位处理器（STM32），一个字等于4字节，如果传入512那么任务大小为512*4字节
• Entry Function： 入口函数
• Code Generation Option： 代码生成选项
• Parameter： 任务入口函数形参，不用的时候配置为0或NULL即可
• Allocation： 分配方式：Dynamic 动态内存创建
• Buffer Name： 缓冲区名称
• Conrol Block Name： 控制块名称

(5)、输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码。

四、程序编程

生成的程序中的freertos.c文件下就可以看到STM32CubeMX已经创建了LED1和LED2两个任务的创建和调度，直接在任务中编写代码即可运行。以下为freertos.c原始文件：

void MX_FREERTOS_Init(void) {
 /* definition and creation of defaultTask */
  osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);
  defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);

  /* definition and creation of LED1 */
  osThreadDef(LED1, LED1_Task02, osPriorityIdle, 0, 128);
  LED1Handle = osThreadCreate(osThread(LED1), NULL);

  /* definition and creation of LED2 */
  osThreadDef(LED2, LED2_Task03, osPriorityIdle, 0, 128);
  LED2Handle = osThreadCreate(osThread(LED2), NULL);

  /* USER CODE BEGIN RTOS_THREADS */
  /* add threads, ... */
  /* USER CODE END RTOS_THREADS */

}

/* USER CODE END Header_LED1_Task02 */
void LED1_Task02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LED1_Task02 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    osDelay(1);
  }
  /* USER CODE END LED1_Task02 */
}

/* USER CODE END Header_LED2_Task03 */
void LED2_Task03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LED2_Task03 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    osDelay(1);
  }
  /* USER CODE END LED2_Task03 */
}

该文件的顶端定义了任务的ID，任务的调用都和这个ID相关。

/* USER CODE END Variables */
osThreadId defaultTaskHandle;
osThreadId LED1Handle;
osThreadId LED2Handle;

如果用了time1作为时基，在main.c文件下可以看到调用了定时器中断回调函数，如果需要用其他定时器可以在这里添加定时器程序

（1）、任务创建 

任务创建的方式分为静态创建和动态创建，不同之处是利用不同的运行内存。

在创建之前需要引用osThreadDef定义一下任务

osThreadDef(name, thread, priority, instances, stacksz)
/// 创建一个具有函数、优先级和堆栈要求的线程定义。
/// \param         name         线程函数的名称。
/// \param         thread       任务函数名称。
/// \param         priority     线程函数的初始优先级。
/// \param         instances    可能的线程实例数。
/// \param         stacksz      线程函数的堆栈大小（以字节为单位）。

//例:
osThreadDef(LED1, LED1_Task02, osPriorityIdle, 0, 128);
//即创建了一个名为LED1的线程定义，调用函数为LED1_Task02。

使用动态/静态内存的方法创建一个任务。

函数	osThreadCreate (const osThreadDef_t *thread_def, void *argument)
参数	thread_def： 引用由osThreadDef定义的任务 argument： 任务入口函数形参
返回值	成功返回任务ID，失败返回0

例：创建任务3（LED3_Task04）

//1，先宏定义任务ID
osThreadId LED3Handle;

//2、定义任务函数
void LED3_Task04(void const * argument);

//3、在void MX_FREERTOS_Init(void)中创建任务线程
void MX_FREERTOS_Init(void)
{
 //****省略*****//
//创建任务LED3
  osThreadDef(LED3, LED3_Task04, osPriorityIdle, 0, 128);
  LED3Handle = osThreadCreate(osThread(LED3), NULL);

}

//4、编写任务函数
void LED3_Task04(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
	
		printf("this LED3 run \r\n");
        osDelay(800);
  }
}

//注，此任务仅作举例使用。

（2）、任务删除

删除任务。任务被删除后就不复存在，也不会再进入运行态。

函数	osThreadTerminate (osThreadId thread_id)
参数	thread_id： 被删除任务的ID
返回值	错误码（osStatus）

 例：

osThreadTerminate (LED1Handle); //彻底删除任务LED1Handle

（3）、任务延时函数

（1）.osDelay

相对延时函数。用于阻塞延时，调用该函数后，任务将进入阻塞状态，进入阻塞态的任务将让出 CPU 资源。

函数	osStatus osDelay (uint32_t millisec)
参数	millisec： 毫秒数
返回值	错误码

要想使用该函数必须在 Include parameters 中把 vTaskDelay 选择 Enabled 来使能。

例：

void vTaskA( void * pvParameters )
{
    while (1) 
    {
        // ...
        // 这里为任务主体代码
        // ...

        /* 调用相对延时函数,阻塞 1000 个 tick */ 
        osDelay( 1000 ); 
    }
}

（2）、osThreadTerminate

绝对延时函数。常用于较精确的周期运行任务，比如我有一个任务，希望它以固定频率定期执行，而不受外部的影响，任务从上一次运行开始到下一次运行开始的时间间隔是绝对的，而不是相对的。

函数	osStatus osDelayUntil (uint32_t *PreviousWakeTime, uint32_t millisec)
参数	PreviousWakeTime： 任务上一次离开阻塞态(被唤醒)的时刻。这个时刻被用作一个参考点来计算该任务下一次离开阻塞态的时刻 millisec： 毫秒数
返回值	错误码

 要想使用该函数必须在 Include parameters 中把 vTaskDelayUntil 选择 Enabled 来使能。

例：

//注意：在使用的时候要将延时时间转化为系统节拍，在任务主体之前要调用延时函数。
void vTaskA( void * pvParameters ) 
{
    /* 用于保存上次时间。调用后系统自动更新 */ 
    static portTickType PreviousWakeTime; 
    /* 设置延时时间，将时间转为节拍数 */ 
    const portTickType TimeIncrement = pdMS_TO_TICKS(1000); 

    /* 获取当前系统时间 */ 
    PreviousWakeTime = osKernelSysTick();

    while (1)
    {
        /* 调用绝对延时函数,任务时间间隔为 1000 个 tick */ 
        osDelayUntil( &PreviousWakeTime，TimeIncrement ); 
 
        // ...
        // 这里为任务主体代码 
        // ...
 
    }
}

 在生成的两个LED任务中编写运行函数程序。任务1计数到10 时删除任务2

//任务LED1
void LED1_Task02(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LED1_Task02 */
  /* Infinite loop */
	int i=0;
	
  for(;;)
  {
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE,GPIO_PIN_5);   //LED1状态每500s翻转一次
		printf("this LED1 run %d\r\n",i);
		i++;
		if(i==10)
		{
			if(osThreadTerminate (LED2Handle)==0); //彻底删除任务LED2Handle
				printf("删除 LED2Handle\r\n");
		}
		

    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END LED1_Task02 */
}

//任务LED2
void LED2_Task03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LED2_Task03 */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_5);   //LED1状态每500s翻转一次
		printf("this LED2 run \r\n");
    osDelay(600);
  }
  /* USER CODE END LED2_Task03 */
}

五、下载验证

编译无误后下载到板子上，可以看到三个任务都能够正常运行，当任务1计数到10 时将任务2删除了之后，任务2不再继续运行

 六、参考文献

STM32CubeMX学习笔记（28）——FreeRTOS实时操作系统使用（任务管理）_stm32 rtos 任务固定时间运行-CSDN博客