FreeRTOS 学习相关笔记 附C语言内容补充

发布时间:2024年01月13日

学习视频为【正点原子】手把手教你学FreeRTOS实时系统

RTOS 入门

裸机

裸机:前后台系统,前台系统指中断服务函数,后台系统指大循环。
裸机中断:是一瞬间的事情,不能处理太多问题。可以用来设置标志位,把执行函数放在主函数里面。

RTOS

1、高优先任务只有处于阻塞状态,才会让出CPU资源,来运行低优先级任务。
2、中断可以打断任意任务,因为中断是为硬件实现,任务优先级为软件实现。

任务优先级数字越大,优先级越高;而中断优先级数字越小,优先级越高

FreeRTOS

FreeRTOS官网

任务调度方式

抢占式调度(不同优先级)

时间片调度(同优先级)
在时间片调度中,一个时间片就是SysTick中断周期;没有用完的时间片不会再使
用。

协程式调度(逐渐淘汰)

任务状态

运行态(同一时间仅有一个任务处于运行态)

就绪态

阻塞态

挂起态 vTaskSuspend() 挂起, vTaskResume() 进入就绪

在这里插入图片描述
就绪列表 pxReadyTaskLists[x],其中x代表任务优先级数值
阻塞列表 pxDelayedTaskList
挂起列表 xSuspendTaskList

  • 新创建任务直接挂载到就绪列表中
  • 32位变量,当某个位置一时,代表所对应的优先级就绪列表有任务

FreeRTOS 移植

移植步骤细节根据《FreeRTOS开发指南》的第二章操作

Source文件夹
加粗样式

portable 文件夹是沟通起软件和硬件的桥梁

系统配置文件

《FreeRTOS开发指南》的第三章介绍

include 配置RTOS中可选的API函数
config 完成FreeRTOS的功能配置和裁剪
其他配置项 PendSV 宏定义、SVC宏定义

API函数

任务创建和删除

动态方式创建任务

xTaskCreate() 自动分配内存
在这里插入图片描述

  • uxTaskGetStackHighWaterMark() 用于获取指定任务的任务栈的历史剩余最小值
  • 任务切换是在中断中进行。可使用临界区保护 taskENTER_CRITICAL() 那些不想被打断的程序段。
  • stm32 栈向下生长,由高地址向低地址;堆向上生长,由低地址向高地址。

任务控制块

在这里插入图片描述

任务栈栈顶,与任务切换有关
每个任务都有属于自己的任务控制块,类似身份证

静态方式创建任务

xTaskCreateStatic()
在这里插入图片描述

删除任务

vTaskDelete()
在这里插入图片描述

  • 传入参数NULL,代表删除任务自身
  • 空闲任务会负责释放被删除任务中由系统分配的内存(静态任务内存需由用户删除前提前释放)

任务挂起和恢复函数

API函数描述
vTaskSuspend()挂起任务
vTaskResume()恢复被挂起任务
xTaskResumeFromISR()在中断中恢复被挂起的任务

xTaskResumeFromISR()函数官网例程

宏:INCLUDE_vTaskSuspend 须置为1

带 FromISR 后缀是在 中断函数 中专用的API函数。
使用该函数需要把 INCLUDE_xTaskResumeFromISR 置为1

中断服务程序中要调用freeRTOS的API函数,则中断优先级不能高于Free RTOS所管理的最高优先级
FreeRTOS 能管理的中断优先级为 5-15

官网解释

  • 如果您使用 STM32 和 STM32 驱动器库, 请通过 调用 NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 ) 来确保所有优先级位都被指定为抢占优先级位,这一步需要 在启动 RTOS 前完成。

调度器挂起与恢复

临界区

临界段(临界区):必须完整运行,不能被打断的代码段

1、外设:IIC、SPI等需严格按照时序初始化的外设
2、系统或用户自身需求

在这里插入图片描述

1、可以嵌套使用 2、尽量保证临界段代码耗时短

临界区是直接屏蔽了中断,系统任务调度靠中断,ISR也靠中断

中断和任务调度可以打断当前程序的运行

任务调度器的挂起和恢复

挂起任务调度器,调用此函数不需要关闭中断。
仅仅是为了防止任务之间的资源争夺,中断照样可以直接响应。

函数描述
vTaskSuspendAll()挂起任务调度器,uxScheduleSuspend加一
xTaskResumeAll()恢复任务调度器,uxScheduleSuspend减一

中断管理

中断:CPU打断正常运行的程序,转而去处理紧急的事件

关闭中断 portDISABLE_INTERRUPTS()
开启中断 portENABLE_INTERRUPTS()

中断优先级数值越小越优先,任务优先级数值越大越优先

调用 任务延时 vTaskDealy()会进入临界区,而在退出临界区代码时会开启中断

PendSV 和 SysTick 设置最低优先级。保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应

FreeRTOS的任务中 只能管理中断优先级在5-15的中断服务

列表和列表项

列表是 FreeRTOS 中的一个数据结构,列表被用来跟踪FreeRTOS中的任务。是一个双向环形链表。
列表项就是存放在列表中的项目

简介

列表结构体
在这里插入图片描述
uxNumberOflterms 不包含 xListEnd末尾列表项

列表项结构体
在这里插入图片描述
xItemValue 多用于按升序对列表中的列表项进行排序

迷你列表项

仅用于标记列表的末尾 和 挂载其他插入列表中的列表项
在这里插入图片描述
列表和列表项关系
在这里插入图片描述

列表相关API函数
函数描述
vListInitialise()初始化列表
vListInitialiseItem()初始化列表项
vListInsertEnd()列表末尾插入列表项
vListInsert()列表插入列表项
uxListRemove()列表移除列表项

vListInsertEnd() 插入到pxIndex指针所指向的列表项前面

参考文档《FreeRTOS开发指南》第七章

任务调度

提前阅读《CortexM3权威指南(中文版)》与《FreeRTOS开发指南》第八章

函数描述
vTaskStartScheduler()启动任务调度器
xPortStartScheduler()启动任务调度器中与硬件架构相关的配置部分,以及启动第一个任务
prvStartFirstTask()初始化启动第一个任务前的环境,主要是重新设置MSP指针,并使能全局中断
vPortSVCHandler()SVC 中断服务函数

在启动第一个任务前关闭中断,启动第一个任务时开启中断

任务切换的本质:CPU寄存器的切换
上下文切换:对任务A保存现场,对任务B恢复现场
任务切换的过程在PendSV中断服务函数里边完成

进程堆栈(psp)中断以外所使用的堆栈,所以保存的就是任务栈;主堆栈指针(msp)在中断内使用

时间片调度

同等优先级任务轮流享有相同的CPU时间(可设置),叫时间片,在FreeRTOS中,一个时间片就等于SysTick中断周期

宏configUSE_TIME_SLICING 和 configUSE_PREEMPTION 须置1

没有用完的时间片不会再使用,下次执行该任务还是按照一个时间片的时钟节拍运行

任务状态查询

参考《FreeRTOS 开发指南》第11章——FreeRTOS其他任务API函数
在这里插入图片描述
任务优先级范围为 0~31

task_num = uxTaskGetNumber0Tasks();
TaskStatus_t* status_array = 0;
/* 所需申请空间 = 任务数量*结构体大小 
   @param1: 指向TaskStatus_t结构体数组首地址
   @param2: 接收信息的数组大小
   @param3: 系统总运行时间,为NULL则省略总运行时间值
   返回获取信息的任务数量
*/
status_array = mymalloc(SRAMIN, (sizeof(TaskStatus_t) * task_num));	
task_num2 = uxTaskGetSystemState(status_array, task_num, NULL);

在这里插入图片描述

任务时间统计

滴答定时器: 用来为系统提供时钟节拍
时基定时器: 用于统计任务运行时间

使用流程
1、configGENERATE_RUN_TIME_STATES 置 1
2、configUSE_STATES_FORMATTING_FUNCTIONS 置1
2.1、portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUNTIME_STATE() :用于初始化配置任务运行时间统计的时基定时器
时基定时器的计时精度需高于系统时钟节拍精度的10至100倍
2.2、 portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE() :用于获取该功能时基定时器计数的计数值

延时函数

函数描述
vTaskDelay()相对延时
xTaskDelayUntil()绝对延时

相对延时:每次延时都是从执行函数 vTaskDelay() 开始,直到延时指定的时间结束
绝对延时:将整个任务的运行周期看成一个整体,适用于需要按照一定频率运行的任务
在这里插入图片描述绝对延时适用于需要按照一定频率运行的任务

FreeRTOS 消息队列

队列

队列是任务到任务、任务到中断、中断到任务 数据交流的一种机制(消息传递)
队列中的每一个数据叫做“队列项目”,队列能够存储“队列项目”的最大数量称为队列的长度

全局变量的弊端:数据无保护,导致数据不安全,当多个任务同时对该变量操作时,数据易受损

写/读队列时 关闭中断,做好保护,防止多任务同时访问冲突

API 函数
函数描述
xQueueCreate()动态方式创建队列
xQueueCreateStatic()静态方式创建

发送
在这里插入图片描述
接收
在这里插入图片描述

信号量

信号量是一种解决同步问题的机制,可以实现对共享资源的有序访问

二值信号量

本质时一个队列长度为1的队列,该队列就只有空和满两种情况。
通常用于互斥访问或任务同步,但有可能会导致优先级翻转的问题
在这里插入图片描述

事件标志组

事件标志位:用一个位,表示事件是否发生
事件标志组就是一组事件标志位的集合
值为1,表示事件发生了;值为0,表示事件未发生

可以等待某一位成立,或者等待多位同时成立
任意任务或中断都可以读写这些位

在这里插入图片描述

同步函数 xEvenGroupSync()

任务通知

简介

任务通知:用来通知任务,任务控制块中的结构体成员变量 ulNotifiedValue 就是这个通知值。
在这里插入图片描述

任务通知的劣势:
1、无法发送数据给ISR
2、无法广播给多个任务,只能被指定的一个任务接收并处理
3、无法缓存多个数据
4、发送受阻不支持阻塞

任务控制块TCB,里边有两个结构体成员变量:
uint32_t ulNotifiedValue 用来表示通知值
uint8_t ucNotifyState 用来表示通知状态

注意:发送通知API函数可以用于任务和中断服务函数中;接收通知API函数只能用于任务中

发送通知相关API函数
在这里插入图片描述

软件定时器

硬件定时器:在中断服务函数中处理信息
软件定时器:在回调函数中处理信息

**注意:**软件定时器的超时回调函数是由软件定时器服务任务调用的,软件定时器的超时回调函数本身不是任务,因此不能在该回调函数中使用可能会导致任务阻塞的API函数。

需将 configUSE_TIMERS 配置项配置成1
软件定时器服务任务的优先级为 configTIMER_TASK_PRIORITY = 31,及最高
定时器的命令队列长度为 configTIMER_QUEUE_LENGTH = 5

两种状态:休眠态,运行态
新创建的软件定时器处于休眠态
在这里插入图片描述

xTimerDelete() 软件定时器删除

C语言知识补充

一块空闲的内存

主要用来存储地址和临时变量

指针函数与函数指针

/指针函数函数指针
主体函数指针
需求返回类型为指针(地址)指向一个函数
形式void* f(int x, int y)void (*f)(int x, int y)

()的优先级大于*

define 和 typedef

define 多用于定义常量
typedef 多用于为已有的数据类型创建一个新的名称

句柄和指针

指针
指针 是 栈上 存储 指向堆上空间地址的 变量
在这里插入图片描述
句柄
通俗理解:Handle 门把手,通过门把手来操控门

本质:是对 底层硬件实例的 指针的 引用。
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句柄可以有效节约资源,更高效使用空间。

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_51491920/article/details/135211365
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