STM32实时操作系统FreeRTOS集成与使用

# 1. FreeRTOS简介**

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一个免费开源的实时操作系统，专为嵌入式系统设计。它以其小巧、高效和可移植性而闻名。FreeRTOS提供了一组全面的功能，包括任务调度、内存管理、同步和通信机制。

FreeRTOS的优势在于其可扩展性和可定制性。它可以根据特定应用程序的需求进行裁剪，并支持各种硬件平台，包括STM32微控制器。通过将FreeRTOS集成到STM32系统中，开发人员可以利用其实时功能，创建响应迅速、可靠且高效的嵌入式应用程序。

# 2. FreeRTOS集成到STM32

### 2.1 FreeRTOS移植到STM32

FreeRTOS移植到STM32需要完成以下步骤：

1. **获取FreeRTOS源码：**从FreeRTOS官网下载最新版本的FreeRTOS源码。
2. **创建STM32工程：**在STM32开发环境中创建一个新的工程。
3. **导入FreeRTOS源码：**将下载的FreeRTOS源码导入到STM32工程中。
4. **配置FreeRTOS：**修改FreeRTOS配置宏以匹配STM32平台，例如：

   #define configUSE_PREEMPTION 1
   #define configMAX_PRIORITIES 5
   #define configTICK_RATE_HZ 1000

5. **编译和下载：**编译和下载FreeRTOS到STM32设备中。

### 2.2 FreeRTOS任务和队列管理

**任务**

任务是FreeRTOS中执行并发操作的基本单元。每个任务都有自己的堆栈和优先级。任务的优先级决定了它在系统中运行的顺序。

**队列**

队列是FreeRTOS中用于任务间通信的数据结构。队列可以存储数据项，任务可以从队列中读取或写入数据项。

**任务和队列管理函数**

FreeRTOS提供了以下函数用于管理任务和队列：

| 函数 | 描述 |
|---|---|
| `xTaskCreate()` | 创建一个新任务 |
| `vTaskStartScheduler()` | 启动任务调度器 |
| `xQueueCreate()` | 创建一个新队列 |
| `xQueueSend()` | 将数据项发送到队列 |
| `xQueueReceive()` | 从队列中接收数据项 |

**代码示例**

以下代码示例展示了如何创建任务和队列，以及如何在任务之间使用队列进行通信：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"

// 创建一个队列
QueueHandle_t queue = xQueueCreate(10, sizeof(int));

// 创建一个任务
TaskHandle_t task1 = xTaskCreate(task1_function, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);

// 在任务中使用队列
void task1_function(void *pvParameters)
{
    int data;

    while (1)
    {
        // 从队列中接收数据
        xQueueReceive(queue, &data, portMAX_DELAY);

        // 处理数据

        // 向队列中发送数据
        xQueueSend(queue, &data, portMAX_DELAY);
    }
}

# 3.1 FreeRTOS任务优先级和调度机制

FreeRTOS中的任务调度机制基于优先级抢占式调度算法。每个任务都有一个优先级，优先级越高，任务被调度的可能性就越大。当一个更高优先级的任务就绪时，它会抢占当前正在运行的较低优先级任务。

#### 任务优先级

FreeRTOS任务的优先级范围从0到configMAX_PRIORITIES-1，其中configMAX_PRIORITIES是一个宏，默认值为32。优先级0是最低优先级，优先级configMAX_PRIORITIES-1是最高优先级。

#### 调度算法

FreeRTOS使用轮询调度算法，即调度器会周期性地遍历就绪队列，选择优先级最高的已就绪任务执行。如果有多个任务具有相同的优先级，则调度器将根据先到先服务（FIFO）原则选择任务。

#### 优先级反转

优先级反转是指低优先级任务阻塞高优先级任务的情况。这可能会导致系统死锁或性能下降。为了避免优先级反转，FreeRTOS提供了以下机制：

- **优先级继承：**当一个低优先级任务阻塞一个高优先级任务时，低优先级任务将继承高优先级任务的优先级。这确保了高优先级任务不会被阻塞太久。
- **优先级天花板：**每个共享资源都有一个优先级天花板，这是使用该资源的最高优先级任务的优先级。当一个任务访问共享资源时，它的优先级将被提升到该资源的优先级天花板