STM32单片机RTOS编程实战：构建实时嵌入式系统的必备指南

# 1. STM32单片机简介**

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器系列。它以其低功耗、高性能、丰富的外设和广泛的应用领域而著称。

STM32单片机采用ARM Cortex-M内核，该内核专为嵌入式系统而设计，具有低功耗、高性能和实时响应能力。STM32单片机提供多种内核选择，从Cortex-M0+到Cortex-M7，以满足不同应用的需求。

STM32单片机集成了丰富的片上外设，包括GPIO、定时器、串口、ADC、DAC、DMA和RTC等，这些外设为开发人员提供了灵活的系统设计和功能扩展选项。此外，STM32单片机还提供各种封装和引脚配置，以适应不同的应用场景。

# 2. FreeRTOS基础

### 2.1 实时操作系统的概念和优势

**2.1.1 实时系统的特点**

实时操作系统（RTOS）是一种专门为实时应用设计的操作系统。实时应用的特点是需要在严格的时间限制内做出响应。RTOS提供了一组服务，使开发人员能够创建和管理实时任务，这些任务可以按优先级调度并同步。

**2.1.2 FreeRTOS的架构和特性**

FreeRTOS是一个开源的、轻量级的RTOS，专为嵌入式系统设计。它具有以下特性：

* **抢占式调度：**任务按优先级调度，高优先级任务可以抢占低优先级任务。
* **任务管理：**FreeRTOS提供了一组函数来创建、删除、挂起和恢复任务。
* **中断管理：**FreeRTOS提供了对中断的优先级控制和嵌套支持。
* **同步机制：**FreeRTOS提供了信号量、互斥量和事件组等同步机制，用于协调任务之间的访问共享资源。

### 2.2 FreeRTOS任务管理

**2.2.1 任务创建和调度**

任务是RTOS中执行的独立执行单元。在FreeRTOS中，任务使用`xTaskCreate()`函数创建。该函数需要指定任务的名称、堆栈大小、优先级和执行函数。

void vTaskCode(void *pvParameters) {
  // 任务代码
}

xTaskCreate(vTaskCode, "TaskName", 1024, NULL, 1, NULL);

FreeRTOS使用优先级调度算法调度任务。较高优先级的任务将比较低优先级的任务优先执行。

**2.2.2 任务优先级和同步**

任务优先级决定了任务的执行顺序。在FreeRTOS中，任务优先级范围从0到255，其中0是最高优先级。

同步机制用于协调任务之间的访问共享资源。FreeRTOS提供了以下同步机制：

* **信号量：**用于控制对共享资源的访问。任务可以获取信号量，如果信号量不可用，任务将被挂起，直到信号量可用。
* **互斥量：**用于保护共享资源，一次只能有一个任务访问受互斥量保护的资源。
* **事件组：**用于通知任务发生事件。任务可以等待事件组中特定事件的发生。

### 2.3 FreeRTOS中断管理

**2.3.1 中断处理机制**

中断是硬件事件触发的特殊事件。在FreeRTOS中，中断使用`xPortPendSVHandler()`函数处理。中断处理程序负责保存寄存器上下文、调用中断服务例程并恢复寄存器上下文。

**2.3.2 中断优先级和嵌套**

中断优先级决定了中断处理的顺序。在FreeRTOS中，中断优先级范围从0到255，其中0是最高优先级。

FreeRTOS支持中断嵌套。这意味着高优先级中断可以打断低优先级中断的处理。

# 3. STM32单片机外设驱动**

### 3.1 GPIO驱动

#### 3.1.1 GPIO配置和操作

STM32单片机的GPIO（通用输入/输出）端口是可配置的，可以设置成输入、输出、推挽输出、开漏输出等多种模式。GPIO的配置和操作可以通过寄存器进行控制。

**GPIO配置寄存器**

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| GPIOx_MODER | 模式寄存器，设置GPIO引脚的模式 |
| GPIOx_OTYPER | 输出类型寄存器，设置GPIO引脚的输出类型 |
| GPIOx_OSPEEDR | 输出速度寄存器，设置GPIO引脚的输出速度 |
| GPIOx_PUPDR | 上拉/下拉寄存器，设置GPIO引脚的上拉/下拉电阻 |

**GPIO操作寄存器**

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| GPIOx_IDR | 输入数据寄存器，读取GPIO引脚的输入状态 |
| GPIOx_ODR | 输出数据寄存器，设置GPIO引脚的输出状态 |
| GPIOx_BSRR |