STM32单片机RTOS应用指南：FreeRTOS、uCOS、RT-Thread，解锁多任务处理

# 1. STM32单片机RTOS概述**

**1.1 RTOS简介**

实时操作系统（RTOS）是一种为嵌入式系统设计的特殊操作系统，它能够保证系统在特定时间内对事件做出响应。RTOS通过提供任务调度、同步和通信机制，帮助开发人员构建可靠且可预测的嵌入式系统。

**1.2 STM32单片机与RTOS**

STM32单片机是意法半导体公司生产的一系列32位微控制器。这些单片机具有强大的处理能力、丰富的外设和低功耗特性，非常适合于嵌入式系统应用。RTOS可以帮助STM32单片机充分发挥其性能优势，实现复杂且实时的系统功能。

# 2. FreeRTOS实践指南

### 2.1 FreeRTOS的基本概念和架构

#### 2.1.1 任务、队列、信号量

**任务**

任务是FreeRTOS中的基本执行单元，代表一个独立的执行线程。每个任务都有自己的堆栈空间和优先级，根据优先级调度执行。

**队列**

队列是FreeRTOS中用于任务间通信的同步机制。队列存储数据项，任务可以通过队列发送和接收数据。

**信号量**

信号量是另一种用于任务间同步的机制。信号量是一个计数器，任务可以获取或释放信号量。当信号量计数为0时，获取信号量的任务将被阻塞，直到信号量被释放。

#### 2.1.2 调度算法和优先级

FreeRTOS采用抢占式优先级调度算法。优先级高的任务可以抢占优先级低的任务的执行权。优先级可以通过`xTaskCreate()`函数设置。

### 2.2 FreeRTOS任务管理

#### 2.2.1 任务创建和删除

**创建任务**

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pvTaskCode,
                       const char * const pcName,
                       const uint16_t usStackDepth,
                       void * const pvParameters,
                       UBaseType_t uxPriority,
                       TaskHandle_t * const pxCreatedTask);

* `pvTaskCode`: 任务函数指针
* `pcName`: 任务名称
* `usStackDepth`: 任务堆栈大小
* `pvParameters`: 传递给任务函数的参数
* `uxPriority`: 任务优先级
* `pxCreatedTask`: 创建成功后返回的任务句柄

**删除任务**

void vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);

* `xTaskToDelete`: 要删除的任务句柄

#### 2.2.2 任务同步和通信

**任务同步**

* **互斥量（Mutex）：**用于保护共享资源，防止多个任务同时访问。
* **信号量：**用于同步任务执行，控制任务访问资源的顺序。

**任务通信**

* **队列：**用于任务间传递数据。
* **事件组：**用于通知任务发生特定事件。

### 2.3 FreeRTOS外设驱动开发

#### 2.3.1 外设初始化和中断配置

**外设初始化**

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_InitStruct);

* `GPIOx`: GPIO端口基地址
* `GPIO_InitStruct`: GPIO初始化结构体

**中断配置**

void HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority);
void HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn);

* `IRQn`: 中断号
* `PreemptPriority`: 抢占优先级
* `SubPriority`: 子优先级

#### 2.3.2 外设驱动程序编写

**驱动程序结构**

typedef struct {
  GPIO_TypeDef *GPIOx;
  uint16_t GPIO_Pin;
} LED_Driver;

**驱动程序函数**

void LED_Init(LED_Driver *led) {
  // GPIO初始化
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.Pin = led->GPIO_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(led->GPIOx, &GPIO_InitStruct);

  // 中断配置
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 5, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

void LED_On(LED_Driver *led) {
  HAL_GPIO_WritePin(led->GPIOx, led->GPIO_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

void LED_Off(LED_Driver *led) {
  HAL_GPIO_WritePin(led