嵌入式实时操作系统RTOS_使用CubeMX进行FreeRTOS的任务创建_软件定时器的使用

FreeRTOS简介

CMSIS-RTOS v2

• 在CubeMX软件的中间件已经集成了FreeRTOS，可以自动生成FreeRTOS的程序框架，省去了移植RTOS的步骤，因此以FreeRTOS为例来讲解RTOS的具体使用
• 此外，我们并不使用FreeRTOS原有的接口函数，而是使用经过封装的函数，这一封装称为CMSIS-RTOS v2，这是一套由ARM提出，针对Cortex-M处理器的RTOS软件接口标准，使得跨操作系统的调用与移植更加方便

FreeRTOS的初始化配置

• 启用FreeRTOS

  使用CubeMX配置使用FreeRTOS步骤如下：

  1. 在Pinout & configuration 页面的左侧栏中展开Middleware and Software Pack，勾选FREERTOS，进入FreeRTOS的配置页面
  2. 在Mode栏中选择Interface 为CMSIS-V2
  3. 在Configuration 栏的config parameters 标签页配置RTOS的基本属性

  注意：由于新版本的keil将编译器升级为了AC6，因此要进行如下操作让编译正常：

  将C:\Users\你的用户名\STM32Cube\Repository\你要设置的单片机型号\Middlewares\Third_Party\FreeRTOS\Source\portable\GCC\ARM_CM4F中的两个文件port.c和portmacro.h复制到C:\Users\你的用户名\STM32Cube\Repository\你要设置的单片机型号\Middlewares\Third_Party\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM4F中替换原来的文件

  如果安装路径不一样找不到Repository文件夹，可以在CubeMX中在Help菜单栏中打开Connection&Updates来看Repository文件夹路径

• FreeRTOS的属性

  • USE_PREEMPTION：是否启用抢占式调度，默认支持

  • TICK_RATE_HZ：定义系统节拍数，默认为1000Hz，即1ms

  • MAX_PRIORTIES：定义可供用户使用的最大优先级数，默认为56，即0~55可用，数字越大优先级越高（与中断优先级编号越小越高相反）

  • MINIMAL_STACK_SIZE：任务栈的大小，默认为512B

  • TOTAL_HEAP_SIZE：堆空间的大小，默认为15360字节，用于创建任务、信号量、消息队列以及软件计数器的使用；

    任务的创建、任务栈的分配、各种系统服务的创建都需要从堆空间分配内存，如果用户创建了较多的任务或系统服务或者定义了较多的局部变量，可以根据实际情况增加该值

  • TIMER_TASK_PRIORITY：设置软件定时器的优先级，默认为2

• 时钟节拍

  时钟节拍是一个周期性的定时中断，也即前文介绍的SysTick，是延时、超时、时间片流转的基本单位，如延时函数的功能便是将任务延时若干整数倍的时钟节拍

  需要注意的是，前文介绍的SysTick已被用作HAL库的时间基准，为了避免HAL库与RTOS相冲突，需要修改HAL库的时间基准为其他定时器，把SysTick留给RTOS

  修改方法如下：

  1. 在Pinout & configuration 页面的左侧栏中展开System Core，选择SYS

  2. 将Timebase Source从Systick修改为某个TIM，如TIM10

  3. 为设定的定时器编写实现HAL库时间基准的中断回调函数

     void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
     {
     	if(htim->Instance==TIM10)//使用TIM10产生时间基准
     	{
     		HAL_IncTick();
     	}
     }
     

任务管理的接口函数

• 任务创建函数osThreadNew

  用于创建一个新任务

• 任务优先级设置函数osThreadSetPriority

  设置任务的优先级，在CMSIS-RTOS2的封装中将56个优先级分为六大类：

  • osPriorityIdle：最低优先级，为空闲任务保留，对应1
  • osPriorityLowN，低优先级；osPriorityBelowNormalN，低于正常优先级；osPriorityNormalN，正常优先级；osPriorityAboveNormalN，高于正常优先级；osPriorityHighN，高优先级，以上分类各含8个优先级编号
  • osPriorityRealtimeN，实时优先级，对应48-55
  • osPriorityISR，最高优先级，为ISR延迟任务，即由中断触发的任务保留，不能用于用户的任务，对应56

• 以上两个函数都可由CubeMX自动生成，在接下来任务创建一节中介绍如何配置

• 延时函数osDelay

  调用了延时函数的任务将进入阻塞态，并立即进行任务调度，经过指定的时间节拍后，任务会自动返回就绪态

  该函数不能在中断服务程序中使用

任务创建

任务创建的初始化配置

• 使用CubeMX来创建任务

  1. 在FreeRTOS的配置窗口中，选择Task and Queues 标签页，进行任务的创建（默认已经创建了一个defaultTask）
  2. 点击Add按钮创建新任务
  3. 双击创建的任务，弹出Edit Task，可对任务名、任务函数Entry Function、优先级、任务栈大小进行修改

• 系统内存使用情况

  在完成了所有的任务和系统服务的配置后，系统内存的最终使用情况可在FreeRTOS Heap Usage标签页中看到

  • HEAP STILL AVAILABLE 表示可用的堆空间大小
  • TOTAL HEAP USED 表示已经使用的堆空间大小
  • 其余各行是各个系统服务所占用的堆空间大小，可根据使用情况修改TOTAL_HEAP_SIZE

任务创建的代码实现

• 任务创建的主程序

  以下内容由CubeMX自动生成

  #include "main.h"
  #include "cmsis_os.h"//使用CMSIS-RTOS2封装后接口函数的头文件
  int main()
  {
  	osKernelInitialize();//初始化RTOS内核
  	MX_FREERTOS_Init();//此函数中包含了创建任务的函数
  	{
  		 defaultTaskHandle = osThreadNew(StartDefaultTask, NULL, &defaultTask_attributes);
  		//在CubeMX中创建任务后，自动生成这个任务的句柄以及属性结构体
  	}
  	osKernelStart();//启动内核，开始任务调度
  	//启动内核后while(1)中的代码将不会执行
  }
  

• 任务函数

  void StartDefaultTask(void *argument)
  {
    /* USER CODE BEGIN StartDefaultTask */
    /* Infinite loop */
    for(;;)
    {
  	//此处为任务代码
      osDelay(1);
    }
    /* USER CODE END StartDefaultTask */
  }
  

软件定时器

软件定时器概述

• 硬件与软件定时器

  某个任务周期性地/延时确定时间执行是常用的功能需求，我们往往需要定时器来实现这一点，而我们之前介绍的硬件定时器虽然精确，但有数量有限，不同硬件操作代码不同不便于移植的问题

• 而软件定时器基于系统节拍，模拟硬件的功能，具备一定的通用性，数量也不受限制，FreeRTOS中提供了软件定时器的功能，经CMSIS-RTOS v2 封装有后文介绍的接口函数

• 软件定时器的分类

  • 单次触发osTimerOnce：执行一次回调函数后不再运行

  • 周期触发osTimerPeriodic：重复执行回调函数，直到用户停止或删除该定时器

软件定时器的接口函数

• 软件定时器创建函数osTimerNew

  创建一个单次触发osTimerOnce或周期触发osTimerPeriodic的软件定时器，并将其与回调函数相连，创建后的定时器处于停止状态

  不能从中断服务程序中调用

  osTimerId_t osTimerNew(osTimerFunc_t func, osTimerType_t type, void *argument, const osTimerAttr_t *attr)
  //func：指向回调函数的函数指针
  //type：osTimerOnce表示单次触发定时器, osTimerPeriodic表示周期触发定时器
  //argument：回调函数的入口参数
  //attr：定时器属性的指针，默认值为NULL
  //返回值为定时器的句柄，用于标识软件定时器
  

• 软件定时器启动函数osTimerStart

  不能从中断服务程序中调用

  osStatus_t osTimerStart(osTimerId_t timer_id, uint32_t ticks)
  //timer_id：要启动的软件定时器
  //ticks：对单次触发的定时器表示延时，对周期触发的定时器表示周期
  //具体数值根据系统节拍与需求决定
  

• 软件定时器停止函数

  不能从中断服务程序中调用

  osStatus_t osTimerStop(osTimerId_t timer_id)
  

软件定时器的代码实现

• 创建两个软件定时器，一个每隔1s触发一次，另一个用于控制指示灯在系统启动5s后再开启

  //创建并启动软件定时器，写在main里
  osTimerId_t ComTimeHandle;
  osTimerId_t LEDTimeHandle;
  ComTimeHandle = osTimerNew(ComCallback, osTimerPeriodic, NULL, NULL);
  LEDTimeHandle = osTimerNew(LEDCallback, osTimerOnce, NULL, NULL);
  osTimerStart(ComCallback,1000);
  osTimerStart(LEDCallback,5000);
  

• 还要写回调函数

  void ComCallback(void *argument)
  {
  	//每隔1s触发一次
  }
  
  void LEDCallback(void *argument)
  {
  	//只触发一次
  }