STM32单片机实时操作系统入门：FreeRTOS实战，解锁多任务处理

# 1. FreeRTOS概述**

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一个开源的、实时的操作系统，专门为嵌入式系统而设计。它提供了轻量级、可移植、可扩展的实时多任务处理功能，适用于各种微控制器和微处理器。

FreeRTOS的主要特点包括：

* **实时性：**FreeRTOS是一个硬实时操作系统，这意味着它可以保证在指定的时间内执行任务。
* **多任务处理：**FreeRTOS允许同时运行多个任务，每个任务都有自己的执行线程。
* **轻量级：**FreeRTOS的内核非常小，只有几千字节，这使得它非常适合资源受限的嵌入式系统。
* **可移植性：**FreeRTOS可以在各种微控制器和微处理器上运行，包括ARM Cortex-M、STM32和PIC。

# 2. FreeRTOS核心概念

### 2.1 任务和调度

#### 2.1.1 任务的创建和管理

**任务创建**

在FreeRTOS中，任务是执行特定功能的独立线程。创建任务需要调用`xTaskCreate()`函数，其参数包括：

- 任务函数指针：指向任务执行代码的函数指针。
- 任务名称：任务的名称，用于调试和识别。
- 任务堆栈大小：任务使用的堆栈大小（以字节为单位）。
- 任务参数：传递给任务函数的参数。
- 任务优先级：任务的优先级，决定其执行顺序。

**任务管理**

任务创建后，可以通过以下函数进行管理：

- `vTaskSuspend()`：挂起任务。
- `vTaskResume()`：恢复挂起的任务。
- `vTaskDelete()`：删除任务。
- `vTaskDelay()`：让任务延迟指定的时间。

#### 2.1.2 调度算法

FreeRTOS支持多种调度算法，包括：

- **优先级调度算法**：根据任务的优先级进行调度，优先级高的任务优先执行。
- **轮转调度算法**：每个任务轮流执行一段时间，时间片由`configTICK_RATE_HZ`宏定义。
- **时间片调度算法**：结合优先级调度和轮转调度，优先级高的任务拥有更多的时间片。

FreeRTOS默认使用优先级调度算法。调度算法的选择取决于应用程序的具体需求。

### 2.2 队列和信号量

#### 2.2.1 队列的类型和使用

队列是FreeRTOS中用于任务间通信的一种机制。队列可以存储数据项，任务可以通过入队（`xQueueSend()`）和出队（`xQueueReceive()`）操作来访问队列。

FreeRTOS支持多种类型的队列：

- **固定长度队列**：具有固定大小，只能存储指定数量的数据项。
- **可变长度队列**：可以动态调整大小，存储的数据项数量不受限制。
- **优先级队列**：队列中的数据项按照优先级排序。

#### 2.2.2 信号量的类型和使用

信号量是FreeRTOS中用于任务同步和互斥的一种机制。信号量是一个计数器，任务可以通过获取（`xSemaphoreTake()`）和释放（`xSemaphoreGive()`）操作来控制信号量的值。

FreeRTOS支持多种类型的信号量：

- **二进制信号量**：只能取值0或1，用于互斥。
- **计数信号量**：可以取值0到指定的上限，用于控制资源的访问。
- **互斥量**：一种特殊类型的信号量，用于确保同一时间只有一个任务访问临界区。

### 2.3 定时器和事件组

#### 2.3.1 定时器的创建和使用

定时器是FreeRTOS中用于创建周期性或单次事件的一种机制。定时器通过调用`xTimerCreate()`函数创建，其参数包括：

- 定时器类型：周期性定时器或单次定时器。
- 定时器周期：周期性定时器的执行周期。
- 定时器回调函数：定时器触发时执行的函数。
- 定时器参数：传递给定时器回调函数的参数。

#### 2.3.2 事件组的创建和使用

事件组是FreeRTOS中用于任务同步和状态管理的一种机制。事件组是一个位掩码，每个位代表一个事件。任务可以通过设置（`xEventGroupSetBits()`）和清除（`xEventGroupClearBits()`）事件组中的位来控制事件的状态。

事件组可以通过调用`xEventGroupCreate()`函数创建，其参数包括：

- 事件组大小：事件组中位的数量。
- 初始状态：事件组的初始状态。

# 3. FreeRTOS实践应用

本章将通过三个实际应用案例，深入了解FreeRTOS在嵌入式系统中的应用。这些案例涵盖了LED闪烁、按键中断和串口通信，展示了FreeRTOS如何简化多任务处理并提高系统响应能力。

### 3.1 LED闪烁任务

**3.1.1 任务的创建和配置**

LED闪烁任务是一个简单的任务，用于周期性地闪烁LED。首先，需要创建一个任务结构体，指定任务的名称、优先级、堆栈大小和任务函数。任务函数定义了LED闪烁的逻辑。

// 创建LED闪烁任务
TaskHandle_t led_task_handle;
const char *led_task_name = "LED_Task";
const uint16_t led_task_stack_size = 128;
void led_task(void *pvParameters)
{
    while (1) {
        // 打开LED
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPI