STM32单片机实时系统设计：任务调度、同步与通信，打造高可靠性的嵌入式系统

# 1. STM32单片机实时系统概述**

STM32单片机实时系统是一种嵌入式系统，它具有实时性、可靠性和并发性等特点。实时系统主要用于控制和监测工业自动化、医疗设备、汽车电子等对时间要求严格的应用场景。

STM32单片机实时系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括STM32单片机、存储器、外围设备等；软件部分主要包括实时操作系统（RTOS）、应用程序和驱动程序。RTOS负责管理任务调度、同步和通信，为应用程序提供一个可预测和可靠的执行环境。

# 2. 任务调度与管理**

**2.1 实时任务调度算法**

实时任务调度算法决定了任务在系统中的执行顺序，对系统的实时性至关重要。

**2.1.1 轮询调度**

轮询调度是一种最简单的调度算法，它按照任务优先级的顺序循环遍历任务队列，并依次执行每个任务。轮询调度具有实现简单、开销小的优点，但其实时性较差，因为高优先级任务可能需要等待低优先级任务执行完毕才能执行。

**2.1.2 优先级调度**

优先级调度算法根据任务的优先级决定任务的执行顺序。优先级高的任务具有优先执行权，而优先级低的任务则需要等待。优先级调度算法可以保证高优先级任务的实时性，但其开销较大，因为需要维护任务的优先级队列。

**2.1.3 时间片轮转调度**

时间片轮转调度算法将系统时间划分为相等的时间片，并按照任务优先级的顺序轮流将时间片分配给任务。每个任务在获得时间片后可以执行一段时间，时间片结束后，系统将切换到下一个任务。时间片轮转调度算法可以兼顾高优先级任务的实时性和低优先级任务的公平性，但其开销也较大。

**2.2 任务同步与通信**

在多任务系统中，任务之间需要进行同步和通信以避免数据冲突和死锁。

**2.2.1 互斥锁**

互斥锁是一种同步机制，用于保护共享资源。当一个任务获取互斥锁后，其他任务将被阻止访问该资源，直到该任务释放互斥锁。互斥锁可以保证共享资源的原子性访问，但其开销较大。

**2.2.2 信号量**

信号量是一种同步机制，用于控制资源的可用性。信号量是一个计数器，当一个任务获取信号量时，计数器减 1；当一个任务释放信号量时，计数器加 1。信号量可以保证资源的公平分配，但其开销较小。

**2.2.3 消息队列**

消息队列是一种通信机制，用于任务之间传递消息。任务可以向消息队列发送消息，其他任务可以从消息队列接收消息。消息队列可以实现任务之间的解耦和异步通信，但其开销较大。

# 3. 实时操作系统（RTOS）实践**

### 3.1 FreeRTOS简介

#### 3.1.1 FreeRTOS架构

FreeRTOS采用微内核架构，核心功能非常精简，仅包含任务调度、任务同步、中断处理等基本功能。通过提供丰富的API接口，用户可以根据需要扩展功能。

FreeRTOS架构如下图所示：

graph LR
    subgraph 任务调度
        A[任务控制块]
        B[任务就绪队列]
        C[任务等待队列]
    end
    subgraph 任务同步
        D[互斥锁]
        E[信号量]
        F[消息队列]
    end
    subgraph 中断处理
        G[中断服务程序]
        H[中断优先级]
    end
    A-->B
    A-->C
    D-->B
    E-->B
    F-->B
    G-->A
    H-->G

#### 3.1.2 FreeRTOS任务创建和管理

FreeRTOS任务创建和管理主要通过以下API实现：

xTaskCreate(TaskFunction, "TaskName", stackSize, pvParameters, priority, &xHandle);
vTaskDelete(xHandle);
vTaskSuspend(xHandle);
vTaskResume(xHandle);

**xTaskCreate()**函数用于创建任务，参数包括任务函数指针、任务名称、任务堆栈大小、任务参数、任务优先级和任务句柄指针。

**vTaskDelete()**函数用于删除任务，参数为任务句柄。

**vTaskSuspend()**函数用于挂起任务，参数为任务句柄。

**vTaskResume()**函数用于恢复挂起的任务，参数为任务句柄。

### 3.2 uCOS-III简介

#### 3.2.1 uCOS-III架构

uCOS-III采用模块化架构，核心模块包括任务调度、任务同步、内存管理、时间管理等。用户可以根据需要选择需要的模块进行配置。

uCOS-III架构如下图所示：

graph LR
    subgraph 任务调度
        A[任务控制块]
        B[任务就绪队列]
        C[任务等待队列]
    end
    sub