一、FreeRTOS简介

FreeRTOS 是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，而且没有任务数限制。FreeRTOS 提供了实时操作系统所需的所有功能，包括资源管理、同步、任务通信等。

FreeRTOS 是用 C 和汇编来写的，其中绝大部分都是用 C 语言编写的，只有极少数的与处理器密切相关的部分代码才是用汇编写的，FreeRTOS 结构简洁，可读性很强！最主要的是非常适合初次接触嵌入式实时操作系统学生、嵌入式系统开发人员和爱好者学习。

最新版本 V9.0.0（2016年），尽管现在 FreeRTOS 的版本已经更新到 V10.4.1 了，但是我们还是选择 V9.0.0，因为内核很稳定，并且网上资料很多，因为 V10.0.0 版本之后是亚马逊收购了FreeRTOS之后才出来的版本，主要添加了一些云端组件，一般采用 V9.0.0 版本足以。

• FreeRTOS官网：http://www.freertos.org/

• 代码托管网站：https://sourceforge.net/projects/freertos/files/FreeRTOS/

二、新建工程

1. 打开 STM32CubeMX 软件，点击“新建工程”

2. 选择 MCU 和封装

3. 配置时钟
RCC 设置，选择 HSE(外部高速时钟) 为 Crystal/Ceramic Resonator(晶振/陶瓷谐振器)

选择 Clock Configuration，配置系统时钟 SYSCLK 为 72MHz
修改 HCLK 的值为 72 后，输入回车，软件会自动修改所有配置

4. 配置调试模式
非常重要的一步，否则会造成第一次烧录程序后续无法识别调试器
SYS 设置，选择 Debug 为 Serial Wire

三、SYS Timebase Source

在 System Core 中选择 SYS ，对 Timebase Source 进行设置，选择 TIM1 作为HAL库的时基（除了 SysTick 外都可以）。

在基于STM32 HAL的项目中，一般需要维护的 “时基” 主要有2个：

1. HAL的时基，SYS Timebase Source

2. OS的时基（仅在使用OS的情况下才考虑）

而这些 “时基” 该去如何维护，主要分为两种情况考虑：

• 裸机运行：
  可以通过 SysTick（滴答定时器）或 （TIMx）定时器 的方式来维护 SYS Timebase Source，也就是HAL库中的 uwTick，这是HAL库中维护的一个全局变量。在裸机运行的情况下，我们一般选择默认的 SysTick（滴答定时器） 方式即可，也就是直接放在 SysTick_Handler() 中断服务函数中来维护。

• 带OS运行：
  前面提到的 SYS Timebase Source 是STM32的HAL库中的新增部分，主要用于实现 HAL_Delay() 以及作为各种 timeout 的时钟基准。

  在使用了OS（操作系统）之后，OS的运行也需要一个时钟基准（简称“时基”），来对任务和时间等进行管理。而OS的这个 时基 一般也都是通过 SysTick（滴答定时器） 来维护的，这时就需要考虑 “HAL的时基” 和 “OS的时基” 是否要共用 SysTick（滴答定时器） 了。

  如果共用SysTick，当我们在CubeMX中选择启用FreeRTOS之后，在生成代码时，CubeMX一定会报如下提示：

  
  

强烈建议用户在使用FreeRTOS的时候，不要使用 SysTick（滴答定时器）作为 “HAL的时基”，因为FreeRTOS要用，最好是要换一个！！！如果共用，潜在一定风险。

四、FreeRTOS

4.1 参数配置

在 Middleware 中选择 FREERTOS 设置，并选择 CMSIS_V1 接口版本

CMSIS是一种接口标准，目的是屏蔽软硬件差异以提高软件的兼容性。RTOS v1使得软件能够在不同的实时操作系统下运行（屏蔽不同RTOS提供的API的差别），而RTOS v2则是拓展了RTOS v1，兼容更多的CPU架构和实时操作系统。因此我们在使用时可以根据实际情况选择，如果学习过程中使用STM32F1、F4等单片机时没必要选择RTOS v2，更高的兼容性背后时更加冗余的代码，理解起来比较困难。

在 Config parameters 进行具体参数配置。

Kernel settings：

• USE_PREEMPTION： Enabled：RTOS使用抢占式调度器；Disabled：RTOS使用协作式调度器（时间片）。

• TICK_RATE_HZ： 值设置为1000，即周期就是1ms。RTOS系统节拍中断的频率，单位为HZ。

• MAX_PRIORITIES： 可使用的最大优先级数量。设置好以后任务就可以使用从0到（MAX_PRIORITIES - 1）的优先级，其中0位最低优先级，（MAX_PRIORITIES - 1）为最高优先级。

• MINIMAL_STACK_SIZE： 设置空闲任务的最小任务堆栈大小，以字为单位，而不是字节。如该值设置为128 Words，那么真正的堆栈大小就是 128*4 = 512 Byte。

• MAX_TASK_NAME_LEN： 设置任务名最大长度。

• IDLE_SHOULD_YIELD： Enabled 空闲任务放弃CPU使用权给其他同优先级的用户任务。

• USE_MUTEXES： 为1时使用互斥信号量，相关的API函数会被编译。

• USE_RECURSIVE_MUTEXES： 为1时使用递归互斥信号量，相关的API函数会被编译。

• USE_COUNTING_SEMAPHORES： 为1时启用计数型信号量， 相关的API函数会被编译。

• QUEUE_REGISTRY_SIZE： 设置可以注册的队列和信号量的最大数量，在使用内核调试器查看信号量和队列的时候需要设置此宏，而且要先将消息队列和信号量进行注册，只有注册了的队列和信号量才会在内核调试器中看到，如果不使用内核调试器的话次宏设置为0即可。

• USE_APPLICATION_TASK_TAG： 为1时可以使用vTaskSetApplicationTaskTag函数。

• ENABLE_BACKWARD_COMPATIBILITY： 为1时可以使V8.0.0之前的FreeRTOS用户代码直接升级到V8.0.0之后，而不需要做任何修改。

• USE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION： FreeRTOS有两种方法来选择下一个要运行的任务，一个是通用的方法，另外一个是特殊的方法，也就是硬件方法，使用MCU自带的硬件指令来实现。STM32有计算前导零指令吗，所以这里强制置1。

• USE_TICKLESS_IDLE： 置1：使能低功耗tickless模式；置0：保持系统节拍（tick）中断一直运行。假设开启低功耗的话可能会导致下载出现问题，因为程序在睡眠中，可用ISP下载办法解决。

• USE_TASK_NOTIFICATIONS： 为1时使用任务通知功能，相关的API函数会被编译。开启了此功能，每个任务会多消耗8个字节。

• RECORD_STACK_HIGH_ADDRESS： 为1时栈开始地址会被保存到每个任务的TCB中（假如栈是向下生长的）。

Memory management settings：

• Memory Allocation： Dynamic/Static 支持动态/静态内存申请

• TOTAL_HEAP_SIZE： 设置堆大小，如果使用了动态内存管理，FreeRTOS在创建 task, queue, mutex, software timer or semaphore的时候就会使用heap_x.c(x为1~5)中的内存申请函数来申请内存。这些内存就是从堆ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]中申请的。

• Memory Management scheme： 内存管理策略 heap_4。

Hook function related definitions：

• USE_IDLE_HOOK： 置1：使用空闲钩子（Idle Hook类似于回调函数）；置0：忽略空闲钩子。

• USE_TICK_HOOK： 置1：使用时间片钩子（Tick Hook）；置0：忽略时间片钩子。

• USE_MALLOC_FAILED_HOOK： 使用内存申请失败钩子函数。

• CHECK_FOR_STACK_OVERFLOW： 大于0时启用堆栈溢出检测功能，如果使用此功能用户必须提供一个栈溢出钩子函数，如果使用的话此值可以为1或者2，因为有两种栈溢出检测方法。

Run time and task stats gathering related definitions：

• GENERATE_RUN_TIME_STATS： 启用运行时间统计功能。

• USE_TRACE_FACILITY： 启用可视化跟踪调试。

• USE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS： 与宏configUSE_TRACE_FACILITY同时为1时会编译下面3个函数prvWriteNameToBuffer()、vTaskList()、vTaskGetRunTimeStats()。

Co-routine related definitions：

• USE_CO_ROUTINES： 启用协程。

• MAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES： 协程的有效优先级数目。

Software timer definitions：

• USE_TIMERS： 启用软件定时器。

Interrupt nesting behaviour configuration：

• LIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY： 中断最低优先级。

• LIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY： 系统可管理的最高中断优先级。

4.2 创建互斥量Mutex

在 Mutexes 进行配置。

• Mutex Name： 互斥量名称

• Allocation： 分配方式：Dynamic 动态内存创建

• Conrol Block Name： 控制块名称

4.3 创建任务Task

我们创建三个任务，一个高优先级任务，一个中优先级任务，一个低优先级任务。

• Task Name： 任务名称

• Priority： 优先级，在 FreeRTOS 中，数值越大优先级越高，0 代表最低优先级

• Stack Size (Words)： 堆栈大小，单位为字，在32位处理器（STM32），一个字等于4字节，如果传入512那么任务大小为512*4字节

• Entry Function： 入口函数

• Code Generation Option： 代码生成选项

• Parameter： 任务入口函数形参，不用的时候配置为0或NULL即可

• Allocation： 分配方式：Dynamic 动态内存创建

• Buffer Name： 缓冲区名称

• Conrol Block Name： 控制块名称

五、UART串口打印

查看 STM32CubeMX学习笔记（6）——USART串口使用

六、生成代码

输入项目名和项目路径

选择应用的 IDE 开发环境 MDK-ARM V5

每个外设生成独立的 ’.c/.h’ 文件
不勾：所有初始化代码都生成在 main.c
勾选：初始化代码生成在对应的外设文件。 如 GPIO 初始化代码生成在 gpio.c 中。

点击 GENERATE CODE 生成代码

七、互斥量

7.1 基本概念

互斥量又称互斥信号量（本质是信号量），是一种特殊的二值信号量，它和信号量不同的是，它支持互斥量所有权、递归访问以及防止优先级翻转的特性，用于实现对临界资源的独占式处理。任意时刻互斥量的状态只有两种，开锁或闭锁。当互斥量被任务持有时，该互斥量处于闭锁状态，这个任务获得互斥量的所有权。当该任务释放这个互斥量时，该互斥量处于开锁状态，任务失去该互斥量的所有权。当一个任务持有互斥量时，其他任务将不能再对该互斥量进行开锁或持有。持有该互斥量的任务也能够再次获得这个锁而不被挂起，这就是递归访问，也就是递归互斥量的特性，这个特性与一般的信号量有很大的不同，在信号量中，由于已经不存在可用的信号量，任务递归获取信号量时会发生主动挂起任务最终形成死锁。

如果想要用于实现同步（任务之间或者任务与中断之间），二值信号量或许是更好的选择，虽然互斥量也可以用于任务与任务、任务与中断的同步，但是互斥量更多的是用于保护资源的互锁。

用于互锁的互斥量可以充当保护资源的令牌，当一个任务希望访问某个资源时，它必须先获取令牌。当任务使用完资源后，必须还回令牌，以便其它任务可以访问该资源。是不是很熟悉，在我们的二值信号量里面也是一样的，用于保护临界资源，保证多任务的访问井然有序。当任务获取到信号量的时候才能开始使用被保护的资源，使用完就释放信号量，下一个任务才能获取到信号量从而可用使用被保护的资源。但是信号量会导致的另一个潜在问题，那就是任务优先级翻转。而 FreeRTOS 提供的互斥量可以通过优先级继承算法，可以降低优先级翻转问题产生的影响，所以，用于临界资源的保护一般建议使用互斥量。

7.2 运作机制

用互斥量处理不同任务对临界资源的同步访问时，任务想要获得互斥量才能进行资源访问，如果一旦有任务成功获得了互斥量，则互斥量立即变为闭锁状态，此时其他任务会因为获取不到互斥量而不能访问这个资源，任务会根据用户自定义的等待时间进行等待，直到互斥量被持有的任务释放后，其他任务才能获取互斥量从而得以访问该临界资源，此时互斥量再次上锁，如此一来就可以确保每个时刻只有一个任务正在访问这个临界资源，保证了临界资源操作的安全性。

7.3 互斥量与递归互斥量

• 互斥量更适合于可能会引起优先级翻转的情况。

• 递归互斥量更适用于任务可能会多次获取互斥量的情况下。这样可以避免同一任务多次递归持有而造成死锁的问题。

八、相关API说明

8.1 osMutexCreate

用于创建一个互斥量，并返回一个互斥量ID。

8.2 osRecursiveMutexCreate

用于创建一个递归互斥量，不是递归的互斥量由函数 osMutexCreate() 创建，且只能被同一个任务获取一次，如果同一个任务想再次获取则会失败。递归信号量则相反，它可以被同一个任务获取很多次，获取多少次就需要释放多少次。递归信号量与互斥量一样，都实现了优先级继承机制，可以减少优先级反转的反生。

要想使用该函数必须在 Config parameters 中把 USE_RECURSIVE_MUTEXES 选择 Enabled 来使能。

8.3 osMutexDelete

用于删除一个互斥量。

8.4 osMutexWait

用于获取互斥量，但是递归互斥量并不能使用这个 API 函数获取。

8.5 osRecursiveMutexWait

用于获取递归互斥量的宏，与互斥量的获取函数一样，osMutexWait()也是一个宏定义，它最终使用现有的队列机制，实际执行的函数是 xQueueTakeMutexRecursive() 。 获取递归互斥量之前必须由 osRecursiveMutexCreate() 这个函数创建。要注意的是该函数不能用于获取由函数 osMutexCreate() 创建的互斥量。

要想使用该函数必须在 Config parameters 中把 USE_RECURSIVE_MUTEXES 选择 Enabled 来使能。

8.6 osMutexRelease

用于释放互斥量，但不能释放由函数 osRecursiveMutexCreate() 创建的递归互斥量。

8.7 osRecursiveMutexRelease

用于释放一个递归互斥量。已经获取递归互斥量的任务可以重复获取该递归互斥量。使用 osRecursiveMutexWait() 函数成功获取几次递归互斥量，就要使用 osRecursiveMutexRelease() 函数返还几次，在此之前递归互斥量都处于无效状态，别的任务就无法获取该递归互斥量。使用该函数接口时，只有已持有互斥量所有权的任务才能释放它，每释放一该递归互斥量，它的计数值就减 1。当该互斥量的计数值为 0 时（即持有任务已经释放所有的持有操作），互斥量则变为开锁状态，等待在该互斥量上的任务将被唤醒。如果任务的优先级被互斥量的优先级翻转机制临时提升，那么当互斥量被释放后，任务的优先级将恢复为原本设定的优先级。

要想使用该函数必须在 Config parameters 中把 USE_RECURSIVE_MUTEXES 选择 Enabled 来使能。

九、示例

/* USER CODE END Header */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/

#include 'main.h'

#include 'cmsis_os.h'

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN Includes */

#include

#include

/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

UART_HandleTypeDef huart1;

DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;

DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx;

osThreadId defaultTaskHandle;

osThreadId LowPriorityHandle;

osThreadId MidPriorityHandle;

osThreadId HighPriorityHandle;

osMutexId MuxSemHandle;

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/

void SystemClock_Config(void);

static void MX_GPIO_Init(void);

static void MX_DMA_Init(void);

static void MX_USART1_UART_Init(void);

void StartDefaultTask(void const * argument);

void LowPriorityTask(void const * argument);

void MidPriorityTask(void const * argument);

void HighPriorityTask(void const * argument);

/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**

  * @brief  The application entry point.

  * @retval int

  */

int main(void)

{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */

  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */

  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */

  MX_GPIO_Init();

  MX_DMA_Init();

  MX_USART1_UART_Init();

  /* USER CODE BEGIN 2 */