STM32单片机RTOS应用：多任务操作系统在嵌入式系统中的实战

# 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();
}

**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);

**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);

**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);
}

**逻辑分析：**

- `osSemaphoreCreate(1, 1)`