STM32F405RGT6多任务编程：RTOS在STM32中的应用实战


参考资源链接：[STM32F405RGT6中文参考手册：Cortex-M4 MCU详解](https://wenku.csdn.net/doc/6401ad30cce7214c316ee9da?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. RTOS基础与多任务概念

实时操作系统（RTOS）是专门为满足实时性要求而设计的操作系统，其响应时间是可预测和可确定的，这对于嵌入式系统的开发至关重要。在嵌入式设备中，常常需要同时执行多项任务，比如处理用户输入、控制硬件设备、管理网络通信等。这就需要一个能够合理分配CPU时间片、并按照优先级管理各个任务的系统，即多任务系统。

多任务操作系统通过任务调度器来管理多个并发执行的任务，任务调度器的核心职责是决定哪个任务在何时获得CPU的控制权。根据不同的调度策略，如时间片轮转（Round-Robin）、优先级调度等，任务调度器能够保证每个任务都有机会在一定时间内运行。这样的设计不仅提高了资源的利用率，也为开发复杂应用提供了便利。然而，由于任务之间的竞争以及对共享资源的访问，多任务系统可能会产生竞态条件、死锁等问题，这就需要我们在设计时注重同步机制和资源管理。

在本章中，我们将深入了解RTOS的基本概念，掌握多任务设计的基础知识，并探讨多任务在实时系统中的应用。接下来的章节将逐步展开STM32F405RGT6和FreeRTOS的具体内容，为读者构建一个全面的嵌入式系统开发框架。

# 2. STM32F405RGT6的硬件架构与特性

### 2.1 STM32F4系列概述

STM32F405RGT6微控制器属于STMicroelectronics的STM32F4系列，这一系列微控制器以其高性能和丰富特性在工业控制、汽车电子、医疗设备、消费电子等领域得到广泛应用。STM32F4系列基于ARM Cortex-M4核心，拥有强大的处理能力和多种功能，使其可以轻松应对复杂的嵌入式应用。

#### 2.1.1 STM32F405RGT6的主要特性

STM32F405RGT6拥有以下主要特性：

- **处理器核心：** 基于Cortex-M4核心，拥有浮点运算能力(FPU)。
- **性能：** 达到168 MHz的运行频率，支持浮点运算单元（FPU）以及DSP指令，加速数学运算。
- **存储器：** 内嵌高达1MB的闪存和256KB的RAM。
- **时钟与电源管理：** 包括内部高速时钟、外部高速时钟、低功耗时钟管理。
- **通信接口：** 支持USB 2.0全速/高速/OTG接口、多种UART/USART、SPI、I2S、I2C等通信协议。
- **模拟外设：** 高性能ADC、DAC、比较器、温度传感器等。
- **定时器与PWM：** 多个高级定时器支持输入捕获、输出比较、PWM等。
- **安全特性：** 支持硬件加密以及安全启动。
- **调试和测试：** 支持JTAG以及SWD调试接口，具有实时跟踪和调试功能。

#### 2.1.2 STM32F405RGT6的应用场景

STM32F405RGT6适用于以下应用场景：

- **音频和语音应用：** 高级音频处理和数字信号处理（DSP）功能。
- **电机控制：** 高性能的定时器和PWM输出，用于复杂的电机控制算法。
- **医疗设备：** 安全特性以及高性能数字信号处理，用于医疗成像和监控设备。
- **工业自动化：** 强大的通信接口和模拟外设，用于传感器数据采集和控制系统。
- **消费电子：** 高性能和丰富的外设支持各种智能消费电子产品。

### 2.2 Cortex-M4核心特性

#### 2.2.1 Cortex-M4处理器架构

ARM Cortex-M4处理器是32位微控制器架构，由ARM公司设计，是Cortex-M系列中的一部分。该核心具有高性能与低功耗的特点，非常适合于实时嵌入式应用。其主要特性包括：

- **单周期乘法和硬件除法指令：** 加速数据处理和算法运算。
- **单精度浮点单元（FPU）：** 支持IEEE 754标准，用于需要高精度数学计算的应用。
- **Thumb-2指令集：** 高密度指令集，结合了16位和32位指令的优点。
- **尾链技术：** 在乘法和加法指令间实现流水线作业，提高执行效率。
- **睡眠模式和低功耗设计：** 支持多种睡眠和待机模式，降低功耗。

#### 2.2.2 Cortex-M4的中断和异常处理

Cortex-M4具备强大的中断管理能力，提供了多种中断响应机制：

- **嵌套向量中断控制器（NVIC）：** 可配置优先级，支持中断嵌套。
- **系统异常和中断管理：** 除了标准的中断外，还支持系统异常，如复位、NMI（非屏蔽中断）。
- **尾链技术：** 在处理中断时提高效率，减少中断响应的延迟。
- **中断优先级控制：** 可以设置中断优先级，用于确定中断的处理顺序。

### 2.3 STM32F405RGT6的内存管理

#### 2.3.1 内存映射和访问

STM32F405RGT6拥有灵活的内存管理架构，具有内部高速Flash存储器和外部存储器接口，其内存映射和访问特性包括：

- **内部Flash和RAM映射：** Flash被映射到0x08000000地址开始处，RAM被映射到0x20000000地址开始处。
- **外部存储器接口（FSMC）：** 允许与外部存储器和外设接口，如NOR Flash、SRAM、PSRAM、LCD等。
- **灵活的内存访问权限：** 可以设置不同存储区域的读/写保护级别，增加安全性。

#### 2.3.2 系统内存保护单元(SMPU)

SMPU是STM32F4系列微控制器中提供的一个特性，用于保护关键的内存区域免受意外或恶意访问：

- **可编程保护区域：** SMPU允许用户定义最多8个不同的内存保护区域。
- **详细的访问权限控制：** 每个区域可以独立设置读、写和执行权限。
- **错误检测和响应：** 当发生内存访问违规时，可以触发中断或复位，帮助系统恢复或记录错误。

以上章节内容深入介绍了STM32F405RGT6的主要特性和应用场景，以及它基于的Cortex-M4处理器架构和内存管理特性。了解这些基础知识对于后续章节中探讨如何将FreeRTOS操作系统集成到STM32F405RGT6中至关重要。在下一章中，我们将深入探讨FreeRTOS操作系统的基础知识，以及如何在STM32F405RGT6微控制器上实现任务管理和内存管理。

# 3. FreeRTOS操作系统基础

### 3.1 FreeRTOS概述

FreeRTOS 是一个小型的、可裁剪的实时操作系统，专为微控制器和小型处理器设计。它具有高度可配置的特性，能够满足从非常简单的单任务应用到包含数以百计任务的复杂系统的要求。FreeRTOS 支持多任务管理，提供了一整套的同步机制和通信工具。

#### 3.1.1 FreeRTOS核心概念

FreeRTOS的核心概念包括任务、队列、信号量、互斥量、事件组、软件定时器等。任务是执行代码的基本单位，而任务切换则由调度器负责管理。FreeRTOS 使用抢占式调度以及时间片轮转调度，确保了系统的响应性和实时性。FreeRTOS支持优先级反转防护和时间片轮转，保障了高优先级任务能够及时获得处理时间。

/* FreeRTOS 任务创建函数示例 */
xTaskCreate(
  vTaskCode,     /* 任务函数 */
  "TaskName",    /* 任务名称 */
  128,           /* 任务栈大小 */
  NULL,          /* 传递给任务函数的参数 */
  1,             /* 任务优先级 */
  NULL           /* 任务句柄 */
);

### 3.2 FreeRTOS的任务管理

任务管理是FreeRTOS中最重要的部分之一，它包括任务的创建、控制以及优先级和同步的管理。

#### 3.2.1 任务的创建和控制

任务的创建和控制是通过API函数实现的。例如，`xTaskCreate()`函数用于创建新任务，`vTaskDelete()`用于删除任务。任务控制还包括挂起、恢复、更改优先级等操作，这些操作对于实时系统中任务的动态管理至关重要。

/* FreeRTOS 任务删除函数示例 */
vTaskDelete( xTaskToDelete );

### 3.3 FreeRTOS的内存管理

内存管理在嵌入式系统中尤为重要，因为它们通常具有有限的资源。FreeRTOS提供了静态和动态内存分配策略。

#### 3.3.1 静态与动态内存分配

静态内存分配通常在编译时就已经确定，而动态内存分配则在运行时根据需要进行。FreeRTOS 使用 `pvPortMalloc()` 和 `vPortFree()` 来管理动态内存，这两个函数通常是用户提供的标准C库动态内存函数的包装。静态内存分配则更为简单，直接在栈上分配即可。

/* FreeRTOS 动态内存分配示例 */
void *pvAllocate = pvPortMalloc( size );
/* 稍后释放 */
vPortFree( pvAllocate );

### 3.3.2 内存池的使用与管理

对于资源受限的嵌入式系统，内存池是一种有效的内存管理策略。它能够减少内存碎片化，提高内存分配和释放的效率。在FreeRTOS中，可以使用`xTaskCreateStatic()`函数创建一个使用静态内存的任务，该内存必须预先分配。

/* FreeRTOS 静态任务创建示例 */
static StackType_t xStack[ STACK_SIZE ];
static StaticTask_t xTaskBuffer;

xTaskCreateStatic(
  vTaskCode,
  "TaskName",
  STACK_SIZE,
  NULL,
  tskIDLE_PRIORITY,
  xStack,
  &xTaskBuffer
);

### 3.3.3 静态与动态内存分配的比较

静态内存分配因为其确定性，在嵌入式系统中有着广泛的应用。它适用于那些需要确定性的系统，因为内存使用在编译时就已经完全确定。动态内存分配在运行时能够更灵活地管理内存，但在嵌入式系统中可能导致碎片化问题和更高的复杂度。

### 3.3.4 内存管理的最佳实践

在使用FreeRTOS进行内存管理时，推荐尽可能使用静态内存分配，并且对于动态内存，尽量避免频繁地申请和释放，这可能会导致内存碎片。在无法避免的情况下，使用内存池是一种好的解决方案。

在嵌入式系统设计中，内存管理策略直接影响到系统的稳定性和可靠性。FreeRTOS的内存管理机制提供了一定程度上的灵活性，同时也需要开发者对这些机制有深入的理解，以确保在资源受限的条件下高效安全地使用内存。

# 4. STM32F405RGT6中的FreeRTOS实践

FreeRTOS是专为资源受限的嵌入式系统设计的实时操作系统，其核心功能包括任务调度、时间管理、同步和通信机制。在STM32F405RGT6微控制器上运行FreeRTOS可以实现更加复杂的多任务处理。本章将详细介绍如何将FreeRTOS移植到STM32F405RGT6，以及如何在实际项目中实现基于FreeRTOS的任务编程和资源管理。

## 4.1 FreeRTOS移植到STM32F405RGT6

### 4.1.1 移植过程和依赖

移植FreeRTOS到STM32F405RGT6的过程涉