當(dāng)代嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)越來越復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求也越來越高。為了滿足這些需求，開發(fā)者需要使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），其中一個(gè)流行的選擇是FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）。本篇博客將詳細(xì)介紹FreeRTOS的特性、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、通信機(jī)制以及一些示例代碼。

1. FreeRTOS簡介

FreeRTOS是一個(gè)開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)用于嵌入式系統(tǒng)。它提供了一套任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷處理和通信機(jī)制，使開發(fā)者能夠更方便地開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。FreeRTOS具有以下特點(diǎn)：

• 開源免費(fèi)：FreeRTOS遵循GNU通用公共許可證（GPL）的開源協(xié)議，可以免費(fèi)使用和修改。
• 簡單輕量：FreeRTOS的內(nèi)核非常小巧，適用于資源有限的嵌入式系統(tǒng)。
• 可移植性：FreeRTOS提供了可移植的API接口，可以在不同的處理器和開發(fā)環(huán)境中使用。
• 可裁剪性：FreeRTOS的內(nèi)核和組件可以根據(jù)需求進(jìn)行裁剪，以減少內(nèi)存占用和代碼大小。

2. 任務(wù)調(diào)度

FreeRTOS的核心是任務(wù)調(diào)度器（Task Scheduler），它負(fù)責(zé)按照一定的調(diào)度策略將任務(wù)分配給處理器執(zhí)行。每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，可以有不同的優(yōu)先級(jí)和堆棧大小。任務(wù)調(diào)度器根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和調(diào)度策略決定哪個(gè)任務(wù)被執(zhí)行。

下面是一個(gè)簡單的示例代碼，展示了如何在FreeRTOS中創(chuàng)建和調(diào)度任務(wù)：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 任務(wù)1的函數(shù)
void vTask1(void *pvParameters)
{while (1){// 任務(wù)1的代碼}
}// 任務(wù)2的函數(shù)
void vTask2(void *pvParameters)
{while (1){// 任務(wù)2的代碼}
}int main()
{// 創(chuàng)建任務(wù)1xTaskCreate(vTask1, "Task 1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);// 創(chuàng)建任務(wù)2xTaskCreate(vTask2, "Task 2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);// 啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器vTaskStartScheduler();return 0;
}

以上代碼中，通過調(diào)用xTaskCreate函數(shù)創(chuàng)建了兩個(gè)任務(wù)vTask1和vTask2。任務(wù)函數(shù)中的代碼會(huì)被不斷執(zhí)行，不需要顯式地進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。在main函數(shù)中，通過調(diào)用vTaskStartScheduler函數(shù)啟動(dòng)了任務(wù)調(diào)度器，使得任務(wù)可以被調(diào)度執(zhí)行。

3. 內(nèi)存管理

FreeRTOS提供了一套內(nèi)存管理機(jī)制，用于動(dòng)態(tài)分配和釋放任務(wù)堆棧和其他資源。開發(fā)者可以使用FreeRTOS提供的內(nèi)存分配函數(shù)，如pvPortMalloc和vPortFree，來管理內(nèi)存。

下面是一個(gè)示例代碼，展示了如何使用FreeRTOS的內(nèi)存管理函數(shù)：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 任務(wù)的堆棧大小
#define TASK_STACK_SIZE 128// 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)
#define TASK_PRIORITY 1int main()
{// 創(chuàng)建任務(wù)的堆棧StackType_t *taskStack = (StackType_t *)pvPortMalloc(TASK_STACK_SIZE * sizeof(StackType_t));// 創(chuàng)建任務(wù)xTaskCreate(vTask, "Task", TASK_STACK_SIZE, NULL, TASK_PRIORITY, NULL);// 啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器vTaskStartScheduler();// 釋放任務(wù)的堆棧vPortFree(taskStack);return 0;
}

以上代碼中，通過調(diào)用pvPortMalloc函數(shù)動(dòng)態(tài)分配了任務(wù)的堆棧空間，然后通過調(diào)用vTaskCreate函數(shù)創(chuàng)建了任務(wù)。在任務(wù)執(zhí)行完畢后，通過調(diào)用vPortFree函數(shù)釋放任務(wù)的堆?？臻g。

4. 通信機(jī)制

FreeRTOS提供了多種通信機(jī)制，如信號(hào)量、消息隊(duì)列和事件組，用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信和同步。

下面是一個(gè)示例代碼，展示了如何使用FreeRTOS的信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "semphr.h"// 信號(hào)量
SemaphoreHandle_t xSemaphore;// 任務(wù)1的函數(shù)
void vTask1(void *pvParameters)
{while (1){// 等待信號(hào)量xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);// 任務(wù)1的代碼// 發(fā)送信號(hào)量xSemaphoreGive(xSemaphore);}
}// 任務(wù)2的函數(shù)
void vTask2(void *pvParameters)
{while (1){// 等待信號(hào)量xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);// 任務(wù)2的代碼// 發(fā)送信號(hào)量xSemaphoreGive(xSemaphore);}
}int main()
{// 創(chuàng)建信號(hào)量xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// 創(chuàng)建任務(wù)1xTaskCreate(vTask1, "Task 1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);// 創(chuàng)建任務(wù)2xTaskCreate(vTask2, "Task 2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, NULL);// 啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器vTaskStartScheduler();// 刪除信號(hào)量vSemaphoreDelete(xSemaphore);return 0;
}

以上代碼中，通過調(diào)用xSemaphoreCreateBinary函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)二值信號(hào)量。任務(wù)1和任務(wù)2在執(zhí)行前都會(huì)等待信號(hào)量，當(dāng)某個(gè)任務(wù)執(zhí)行完畢后，通過調(diào)用xSemaphoreGive函數(shù)發(fā)送信號(hào)量，使得另一個(gè)任務(wù)可以執(zhí)行。

5. IO操作

任務(wù)：使用freertos進(jìn)行基于stm32的兩個(gè)任務(wù)控制，一個(gè)任務(wù)是pa0口控制一個(gè)led燈每500ms閃爍一次，另一個(gè)任務(wù)是pa1口控制一個(gè)led燈每1s閃爍一次

#include "stm32f4xx.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"// 定義任務(wù)句柄
TaskHandle_t task1Handle, task2Handle;// 定義任務(wù)1的函數(shù)
void Task1(void *pvParameters)
{while(1){// 控制PA0口的LED燈每500ms閃爍一次GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));}
}// 定義任務(wù)2的函數(shù)
void Task2(void *pvParameters)
{while(1){// 控制PA1口的LED燈每1s閃爍一次GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
}int main()
{// 初始化GPIOA的時(shí)鐘RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; // 輸出模式GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; // 推挽輸出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; // 無上下拉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);// 創(chuàng)建任務(wù)1xTaskCreate(Task1, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &task1Handle);// 創(chuàng)建任務(wù)2xTaskCreate(Task2, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY + 1, &task2Handle);// 啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器vTaskStartScheduler();while(1){// 如果任務(wù)調(diào)度器啟動(dòng)失敗，可以在此處處理異常情況}return 0;
}

以上示例代碼中，首先使用STM32的庫函數(shù)RCC_AHB1PeriphClockCmd和GPIO_InitTypeDef初始化GPIO引腳PA0和PA1的設(shè)置。然后，在任務(wù)1和任務(wù)2函數(shù)中分別控制PA0口和PA1口的LED燈閃爍，通過調(diào)用vTaskDelay函數(shù)來實(shí)現(xiàn)延時(shí)。

在main函數(shù)中，使用xTaskCreate函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)1和任務(wù)2，并分別傳入相應(yīng)的函數(shù)指針、任務(wù)名稱、堆棧大小和優(yōu)先級(jí)。然后通過調(diào)用vTaskStartScheduler函數(shù)啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器。

總結(jié)

本篇博客詳細(xì)介紹了FreeRTOS的特性、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、通信機(jī)制和舉例對(duì)STM32的IO口進(jìn)行操作。
FreeRTOS的源代碼和文檔可以在官方網(wǎng)站（https://www.freertos.org/）上找到。