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嵌入式|RTOS教学——FreeRTOS基础1：准备工作

ai 2025/9/5 17:15:10

目录

一、学习前提与工具准备

1. 必备基础

2. 工具准备（以 STM32 为例）

二、 FreeRTOS 核心概念（理论）

1. 核心概念拆解

2. 关键原则

三、第一个 FreeRTOS 程序（点亮两个 LED 任务）

步骤 1：用 STM32CubeMX 配置工程

步骤 2：编写任务函数（核心逻辑）

步骤 3：编译、下载与验证

四、内核与问题排查

1. 内核核心机制（简要理解）

2. 常见问题与排查

五、扩展学习资源

学习操作系统之前要先了解裸机和操作系统是什么。

裸机开发就是指程序直接运行在硬件上，比如STM32中的main()函数+while(1)无限循环结构。这种方式的优点是方便快捷，并且占用的资源很少。但也有很多缺点，比如只能顺序执行一个任务，当需要处理复杂任务时所有功能堆叠在一个任务流中，结构臃肿，扩展困难。实时性不强，且程序容易占用CPU造成“空等”。

而操作系统则是一套建立在硬件层上的底层软件，它通过内核来实现一些功能，可以克服裸机开发中的缺点。RTOS是一种满足实时应用程序需求的操作系统，它将我们需要实现的复杂功能拆分成多个任务，并通过任务调度器来管理任务的执行。通过这种方式可以实现多线程操作，大大提高了系统的实时性，并且提高了CPU的利用率。

简单来说就是：裸机只能同时做一件事，但是操作系统可以通过任务调度来同时做好几件事，也就是多线程。但这里的多线程也并不是真的在同时处理，而是通过时间片轮转让CPU在不同的任务之间快速切换，看起来就像是真的在同时处理一样。

一、学习前提与工具准备

学习 FreeRTOS（实时操作系统）需要结合理论概念和实际编程实践，尤其要理解 “实时” 的核心逻辑（任务调度、资源管理）。

在开始前，需具备基础能力并搭建好开发环境，避免后续因工具问题卡壳。

1. 必备基础
  • C 语言基础：掌握变量、指针、结构体、函数、动态内存（malloc/free），理解指针操作（FreeRTOS 内核大量用指针访问任务控制块等）。
  • 嵌入式基础：了解 MCU（如 STM32）的基本架构（GPIO、时钟、中断），能独立用 HAL 库 / 标准库写简单程序（如点亮 LED、串口打印）。
  • 实时系统概念：知道 “实时” 不是 “快”，而是 “可预测”（任务在规定时间内必须完成），区分 “抢占式” 和 “协作式” 调度（FreeRTOS 是抢占式）。
2. 工具准备（以 STM32 为例）
工具类型推荐选择用途说明
硬件开发板STM32F103C8T6（“蓝桥杯” 常用）、STM32F407资源充足，资料丰富，适合入门；需带下载器（如 ST-Link V2）。
编译环境Keil MDK-ARM（V5/V6）、STM32CubeIDEKeil 兼容性好，CubeIDE 免费且集成 STM32CubeMX（自动生成底层代码）。
配置工具STM32CubeMX可视化配置 MCU 时钟、外设，一键集成 FreeRTOS 内核（无需手动移植）。
调试工具ST-Link V2（下载 + 调试）、串口助手（打印）调试任务状态、查看变量，用串口打印输出任务运行信息（如任务执行次数）。

二、 FreeRTOS 核心概念（理论）

FreeRTOS 的本质是 “管理任务的内核”，所有操作都围绕 “任务” 展开。先吃透以下核心概念，再写代码会更清晰。

1. 核心概念拆解
概念通俗理解关键细节
任务（Task）最小的执行单元（类似 “线程”）- 每个任务有独立的栈空间和任务控制块（TCB，记录任务状态、优先级等）；
- 任务状态：就绪（Ready）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、挂起（Suspended）。
任务优先级任务的 “紧急程度”- 数值越大，优先级越高（FreeRTOS 默认支持 0~31 级，可配置）；
- 抢占式调度：高优先级任务能打断低优先级任务的运行。
调度器（Scheduler）任务的 “管理者”- 负责从 “就绪列表” 中选最高优先级任务执行；
- 必须调用 vTaskStartScheduler() 启动调度器，之后内核接管任务切换。
队列（Queue）任务间通信的 “管道”- 用于传递数据（如串口接收的数据传给处理任务）；
- 支持 “先进先出”（FIFO）或 “后进先出”（LIFO），可设置超时时间。
信号量（Semaphore）资源竞争的 “锁” 或 “通知器”- 二进制信号量：用于 “同步”（如任务 A 完成后通知任务 B）；
- 计数信号量：用于 “资源管理”（如控制最多 3 个任务访问串口）。
栈（Stack）任务的 “临时内存”- 每个任务独立栈，栈大小需根据任务中局部变量、函数调用深度配置（太小会栈溢出，太大浪费内存）。
2. 关键原则
  • 禁止在中断中调用非 “中断安全” API：FreeRTOS 区分 “任务级 API”（如 xQueueSend()）和 “中断级 API”（如 xQueueSendFromISR()），中断中必须用带 FromISR 后缀的 API。
  • 任务不能返回：任务函数是无限循环（for(;;) 或 while(1)），若返回会导致栈溢出（任务栈被释放后无合法地址）。
  • 动态内存 vs 静态内存：FreeRTOS 支持两种创建方式（如 xTaskCreate() 动态创建，xTaskCreateStatic() 静态创建），动态依赖 malloc，静态需手动分配栈和 TCB 内存。

三、第一个 FreeRTOS 程序（点亮两个 LED 任务）

用 STM32CubeMX 快速生成带 FreeRTOS 的工程，实现 “两个任务分别控制 LED 闪烁”（最经典的入门案例），理解任务创建和调度的核心流程。

步骤 1：用 STM32CubeMX 配置工程
  1. 新建工程：
    • 打开 STM32CubeMX，选择对应芯片（如 STM32F103C8T6），点击 “Start Project”。
  2. 配置基础外设：
    • 配置时钟：RCC → 选择 “HSE”（外部高速时钟），配置 PLL 使系统时钟为 72MHz（STM32F1 最大时钟）。
    • 配置 LED 引脚：假设 LED1 接 PB12，LED2 接 PB13 → 引脚模式设为 “GPIO_Output”，默认电平设为 “High”（假设 LED 低电平点亮）。
    • 配置串口（可选，用于打印调试）：USART1 → 模式设为 “Asynchronous”（异步），波特率 115200，引脚 PA9（TX）、PA10（RX）。
  3. 集成 FreeRTOS：
    • 左侧菜单栏选择 “Middleware and Software Packs” → “FreeRTOS” → 勾选 “Enabled”。
    • 选择 FreeRTOS 版本：推荐 “V10.3.1”（稳定版），接口选择 “CMSIS_V2”（最新标准，兼容性好）。
  4. 创建任务：
    • 点击 “Tasks and Queues” → “Add”，创建第一个任务：
      • Task Name：Task_LED1（任务名，自定义）
      • Priority：1（优先级，数值越大越优先）
      • Stack Size：128（栈大小，单位：字，1 字 = 4 字节，即 512 字节）
      • Function Name：Task_LED1_Func（任务函数名，自动生成）
    • 同理创建第二个任务 Task_LED2，优先级设为 1（和 Task_LED1 同优先级），栈大小 128，函数名 Task_LED2_Func。
  5. 生成代码：
    • 点击右上角 “GENERATE CODE”，选择编译环境（如 Keil MDK-ARM），生成工程后打开。
步骤 2：编写任务函数（核心逻辑）

在生成的代码中，找到 Src/main.c 文件，在 “USER CODE BEGIN 2” 和 “USER CODE END 2” 之间，补充两个任务的实现：

/* USER CODE BEGIN 2 */
// 任务1：控制LED1每隔500ms闪烁一次
void Task_LED1_Func(void *argument)
{for(;;)  // 任务必须是无限循环{HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_12);  // 翻转LED1引脚电平vTaskDelay(500);  // 延时500ms（FreeRTOS的延时函数，单位：ms）// 延时期间，调度器会切换到其他就绪任务（如Task_LED2）}
}// 任务2：控制LED2每隔1000ms闪烁一次
void Task_LED2_Func(void *argument)
{for(;;){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_13);  // 翻转LED2引脚电平vTaskDelay(1000);  // 延时1000ms}
}
/* USER CODE END 2 */
步骤 3：编译、下载与验证
  1. 编译工程：在 Keil 中点击 “Build”，确保无错误（0 Errors）。
  2. 下载程序：连接 ST-Link 到开发板，点击 “Download”，将程序烧录到 MCU。
  3. 观察现象：
    • LED1 每隔 500ms 闪烁一次，LED2 每隔 1000ms 闪烁一次。
    • 原理：两个任务优先级相同，调度器会采用 “时间片轮转” 调度（每个任务执行一个时间片后切换），vTaskDelay() 会让当前任务进入 “阻塞态”，调度器自动切换到另一个任务。

四、内核与问题排查

当能熟练使用 API 后，需理解底层逻辑，避免踩坑（如栈溢出、死锁）。

1. 内核核心机制（简要理解）
  • 任务切换原理：通过 “PendSV 中断” 实现（低优先级中断，确保任务切换不打断高优先级中断），切换时保存当前任务的寄存器到栈，恢复下一个任务的寄存器。
  • 延时实现：依赖 “SysTick 定时器”（系统滴答定时器），每 1ms 产生一次中断，更新系统时基，检查是否有任务延时到期（到期后将任务从阻塞态转为就绪态）。
2. 常见问题与排查
问题现象可能原因排查方法
程序卡死1. 任务无延时（高优先级任务占满 CPU）；
2. 栈溢出；
3. 死锁（两个任务互相等信号量）。		1. 检查任务是否有 vTaskDelay() 或 xQueueReceive() 等阻塞操作；
2. 增大栈大小，或用 FreeRTOS 栈溢出检测功能（配置 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW）；
3. 检查信号量获取顺序，避免循环等待。
中断中调用非中断安全 API如在中断中用 xQueueSend() 而非 xQueueSendFromISR()搜索代码中所有中断回调函数，确保只调用带 FromISR 后缀的 API。
队列接收不到数据1. 队列未创建成功；
2. 发送方未发送数据；
3. 超时时间太短。		1. 检查队列句柄是否为 NULL；
2. 在发送处加打印，确认数据已发送；
3. 增大 xQueueReceive() 的超时时间（如 portMAX_DELAY）。

五、扩展学习资源

  1. 官方文档：FreeRTOS 官网（www.freertos.org）的 “API Reference” 和 “FreeRTOS User Guide”（最权威，建议常备）。
  2. 书籍：
    • 《FreeRTOS 实时内核使用指南》（官方指南翻译版，适合入门）。
    • 《STM32Cube 开发实战指南：FreeRTOS 篇》（结合 STM32 实战，案例丰富）。
  3. 视频教程：
    • 正点原子 / 野火的 STM32 FreeRTOS 教程（B 站免费，配套开发板，适合零基础）。
    • 安富莱电子的 FreeRTOS 内核解析（深入底层，适合进阶）。

FreeRTOS 的学习关键是 “边练边查”，遇到 API 用法不确定时，优先查官方文档，避免依赖碎片化资料。

http://www.xdnf.cn/news/19697.html

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