STM32单片机RTOS应用：多任务操作系统在嵌入式系统中的实战

目录
1. STM32单片机简介
2. RTOS在嵌入式系统中的应用

2.1 RTOS的概念和特点
2.2 RTOS的分类和选择
2.3 RTOS的调度算法

3. STM32 单片机 RTOS 编程基础

3.1 任务管理

3.1.1 任务的创建和删除
3.1.2 任务的调度和优先级

3.2 同步机制

3.2.1 信号量

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1. STM32单片机简介
STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它以其高性能、低功耗和丰富的外设资源而闻名，广泛应用于嵌入式系统、工业控制、物联网和消费电子等领域。
STM32单片机采用哈佛架构，具有独立的指令存储器和数据存储器，提高了指令执行效率。它还集成了各种外设，包括定时器、ADC、DAC、UART、SPI、I2C和CAN等，为开发人员提供了丰富的功能选择。
2. RTOS在嵌入式系统中的应用
2.1 RTOS的概念和特点
概念：
实时操作系统（RTOS）是一种专门为嵌入式系统设计的操作系统，它可以提供一个受控的环境，使开发人员能够创建实时响应的应用程序。RTOS管理系统资源，如处理器时间、内存和外设，并确保应用程序能够在可预测的时间内执行。
特点：

**实时性：**RTOS保证应用程序在可预测的时间内执行，即使系统负载很高。
**确定性：**RTOS确保应用程序以已知的顺序执行，避免不可预测的延迟。
**多任务：**RTOS允许多个应用程序同时在系统上运行，共享系统资源。
**资源管理：**RTOS管理系统资源，如处理器时间、内存和外设，以确保应用程序的可靠运行。
**低开销：**RTOS通常具有较小的代码占用空间和较低的运行开销，使其适用于资源受限的嵌入式系统。

2.2 RTOS的分类和选择
分类：
RTOS可以分为以下几类：

**单核RTOS：**适用于单核处理器系统。
**多核RTOS：**适用于多核处理器系统，可以同时管理多个处理器。
**实时内核：**提供基本的多任务和资源管理功能，适用于需要低开销和高实时性的系统。
**完整RTOS：**提供更全面的功能，包括文件系统、网络堆栈和图形用户界面（GUI）支持。

选择：
选择合适的RTOS取决于应用程序的需求和系统资源。需要考虑以下因素：

**实时性要求：**应用程序对响应时间的敏感性。
**多任务要求：**应用程序是否需要同时运行多个任务。
**资源限制：**系统的处理器速度、内存大小和外设可用性。
**开发工具：**RTOS的开发工具和支持。

2.3 RTOS的调度算法
调度算法决定了RTOS如何分配处理器时间给不同的任务。常见的调度算法包括：

**先来先服务（FCFS）：**任务按照它们到达就绪队列的顺序执行。
**优先级调度：**任务根据其优先级执行，优先级高的任务优先执行。
**时间片轮转调度：**任务轮流执行，每个任务分配一个时间片，时间片用完后任务被挂起，其他任务继续执行。
**速率单调调度：**保证具有较高执行频率的任务满足其时间限制。

选择：
选择合适的调度算法取决于应用程序的特性。需要考虑以下因素：

**任务的实时性要求：**优先级调度或速率单调调度适用于需要高实时性的任务。
**任务的执行时间：**时间片轮转调度适用于执行时间相对较短的任务。
**任务的优先级：**优先级调度适用于任务优先级不同的系统。

3. STM32 单片机 RTOS 编程基础
3.1 任务管理
3.1.1 任务的创建和删除
任务创建
在 RTOS 中，任务是执行特定功能的独立线程。在 STM32 单片机上，可以使用 osThreadCreate() 函数创建任务。该函数需要以下参数：

task_func: 任务函数指针，指定任务要执行的代码。
argument: 传递给任务函数的参数，可以是任何类型的数据。
stack_size: 任务堆栈大小，以字节为单位。
priority: 任务优先级，决定任务在调度器中的执行顺序。

代码块 3.1.1.1：任务创建
#include "cmsis_os.h"osThreadId task1_id;void task1_function(void *argument) { // 任务代码}int main() { task1_id = osThreadCreate(task1_function, NULL, 1024, osPriorityNormal); osKernelStart();}登录后复制
逻辑分析：

task1_function() 是任务函数，它将执行任务代码。
NULL 表示不向任务函数传递参数。
1024 指定任务堆栈大小为 1024 字节。
osPriorityNormal 指定任务优先级为正常。
osKernelStart() 启动操作系统内核，开始任务调度。

任务删除
当任务完成其功能时，可以使用 osThreadTerminate() 函数将其删除。该函数需要一个任务 ID 作为参数。
代码块 3.1.1.2：任务删除
osThreadTerminate(task1_id);登录后复制
逻辑分析：

task1_id 是要删除的任务 ID。

3.1.2 任务的调度和优先级
任务调度
RTOS 使用调度算法来决定何时执行每个任务。STM32 单片机上常用的调度算法是抢占式优先级调度算法。该算法根据任务的优先级来调度任务，优先级高的任务优先执行。
任务优先级
任务优先级是一个数字，范围从 0（最低优先级）到 255（最高优先级）。任务优先级越高，它被执行的可能性就越大。
代码块 3.1.2.1：任务优先级设置
task1_id = osThreadCreate(task1_function, NULL, 1024, osPriorityHigh);登录后复制
逻辑分析：

osPriorityHigh 指定任务 1 的优先级为高。

3.2 同步机制
同步机制用于协调多个任务对共享资源的访问。STM32 单片机上常用的同步机制包括信号量和互斥量。
3.2.1 信号量
信号量是一种用于控制资源访问的计数器。它可以初始化为一个特定的值，表示资源的可用性。当任务需要访问资源时，它会获取信号量。如果信号量值大于 0，则任务可以访问资源。否则，任务将被阻塞，直到信号量值变为正。
代码块 3.2.1.1：信号量创建和使用
osSemaphoreId semaphore_id;int main() { semaphore_id = osSemaphoreCreate(1, 1); // ... osSemaphoreWait(semaphore_id, osWaitForever); // 访问共享资源 osSemaphoreRelease(semaphore_id);}登录后复制
逻辑分析：

osSemaphoreCreate(1, 1)