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FreeRTOS入门

概述

FreeRTOS是一个流行的开源实时操作系统内核，专为嵌入式系统设计，支持多种处理器架构。

FreeRTOS特点

  1. 小巧高效：内核代码约9000行C代码
  2. 可移植性强：支持40+处理器架构
  3. 实时性强：确定性调度，微秒级响应
  4. 开源免费：MIT许可证

任务管理

创建任务

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#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void vTaskFunction(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 任务代码
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 延时1秒
    }
}

int main(void) {
    xTaskCreate(
        vTaskFunction,       // 任务函数
        "TaskName",          // 任务名称
        128,                 // 栈大小（字）
        NULL,                // 参数
        1,                   // 优先级
        NULL                 // 任务句柄
    );
    
    vTaskStartScheduler();    // 启动调度器
    return 0;
}

任务优先级

C
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#define PRIORITY_HIGH      5
#define PRIORITY_NORMAL    3
#define PRIORITY_LOW       1

xTaskCreate(vHighTask, "High", 128, NULL, PRIORITY_HIGH, NULL);
xTaskCreate(vNormalTask, "Normal", 128, NULL, PRIORITY_NORMAL, NULL);
xTaskCreate(vLowTask, "Low", 128, NULL, PRIORITY_LOW, NULL);

任务状态

C
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// 挂起任务
vTaskSuspend(xTaskHandle);

// 恢复任务
vTaskResume(xTaskHandle);

// 删除任务
vTaskDelete(xTaskHandle);

任务延时

相对延时

C
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vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));    // 延时100ms

绝对延时

C
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TickType_t xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
const TickType_t xFrequency = pdMS_TO_TICKS(100);

while (1) {
    // 任务代码
    vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
}

信号量

二值信号量

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SemaphoreHandle_t xSemaphore;

xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();

// 获取信号量
if (xSemaphoreTake(xSemaphore, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdTRUE) {
    // 获取成功
    xSemaphoreGive(xSemaphore);  // 释放
}

// 中断中释放
BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken);
portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);

计数信号量

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SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore;

xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(10, 0);  // 最大10，初始0

互斥量

C
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SemaphoreHandle_t xMutex;

xMutex = xSemaphoreCreateMutex();

if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
    // 临界区
    xSemaphoreGive(xMutex);
}

队列

创建队列

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QueueHandle_t xQueue;

xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));  // 10个uint32_t元素

// 发送数据
uint32_t data = 123;
xQueueSend(xQueue, &data, pdMS_TO_TICKS(100));

// 接收数据
uint32_t received;
xQueueReceive(xQueue, &received, pdMS_TO_TICKS(100));

队列集

C
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QueueSetHandle_t xQueueSet;
xQueueSet = xQueueCreateSet(10);

xQueueAddToSet(xQueue1, xQueueSet);
xQueueAddToSet(xSemaphore, xQueueSet);

软件定时器

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TimerHandle_t xTimer;

void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) {
    // 定时器回调
}

xTimer = xTimerCreate(
    "Timer",                        // 名称
    pdMS_TO_TICKS(1000),            // 周期1000ms
    pdTRUE,                         // 自动重载
    NULL,                           // 参数
    vTimerCallback                  // 回调函数
);

xTimerStart(xTimer, 0);             // 启动定时器
xTimerStop(xTimer, 0);              // 停止定时器

任务通知

C
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// 发送通知
xTaskNotify(xTaskHandle, 0x01, eSetBits);

// 等待通知
uint32_t ulNotificationValue;
xTaskNotifyWait(0x00, 0xFFFFFFFF, &ulNotificationValue, portMAX_DELAY);

内存管理

FreeRTOS提供5种内存管理方案：

方案 说明
heap_1 只分配不释放
heap_2 可分配释放，不合并
heap_3 包装标准malloc/free
heap_4 可分配释放，合并相邻块
heap_5 多内存区域

配置FreeRTOS

FreeRTOSConfig.h

C
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#define configUSE_PREEMPTION            1       // 抢占式调度
#define configUSE_IDLE_HOOK             1       // 空闲任务钩子
#define configUSE_TICK_HOOK             1       // 时钟钩子
#define configCPU_CLOCK_HZ              (72000000UL)
#define configTICK_RATE_HZ              ((TickType_t)1000)
#define configMAX_PRIORITIES            (5)
#define configMINIMAL_STACK_SIZE        ((unsigned short)128)
#define configTOTAL_HEAP_SIZE           ((size_t)(10 * 1024))
#define configUSE_16_BIT_TICKS          0

常用API速查

API 说明
xTaskCreate() 创建任务
vTaskDelete() 删除任务
vTaskDelay() 延时
vTaskSuspend() 挂起任务
vTaskResume() 恢复任务
uxTaskPriorityGet() 获取优先级
vTaskPrioritySet() 设置优先级

参考资料