1

FreeRTOS移植及配置

在程序中，移植了正點(diǎn)原子的基于STM32的FreeRTOS程序，編寫了自己的內(nèi)存管理程序malloc.c，程序主要結(jié)構(gòu)如下：

FreeRTOS_CORE中是FreeRTOS的核心文件，包括與協(xié)程有關(guān)的croutine.c，與事件組有關(guān)的event_groups.c，與列表有關(guān)的list.c，與隊(duì)列有關(guān)的queue.c，與任務(wù)有關(guān)的tasks.c，與定時(shí)器時(shí)鐘有關(guān)的timers.c。

FreeRTOS_PORTABLE中是與FreeRTOS內(nèi)存管理有關(guān)的文件，包括port.c和heap_4.c，port.c中主要包含一些與中斷有關(guān)的函數(shù)，heap_4.c上一篇文章有詳細(xì)介紹，與內(nèi)存分配釋放有關(guān)。

在FreeRTOSConfig.h文件中，對FreeRTOS的很多參數(shù)進(jìn)行了配置，用戶可以修改其中的文件對程序參量進(jìn)行配置并對程序功能進(jìn)行選擇使用。

先聲明了一個(gè)斷言，方便提示用戶，當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)在FreeRTOS的那個(gè)程序哪一行出錯(cuò)。

//斷言
#define vAssertCalled(char,int) printf("Error:%s,%drn",char,int)
#define configASSERT(x) if((x)==0) vAssertCalled(__FILE__,__LINE__)

然后是與任務(wù)調(diào)度算法相關(guān)的配置選項(xiàng)，主要的是configUSE_PREEMPTION和configUSE_TIME_SLICING，不過一般都開啟，置1就行。

/***************************************************************************************************************/
/*                                           調(diào)度算法配置選項(xiàng)                                                  */
/***************************************************************************************************************/
#define configUSE_PREEMPTION          1                       //1使用搶占式內(nèi)核，0使用協(xié)程
#define configUSE_TIME_SLICING          1            //1使能時(shí)間片調(diào)度(默認(rèn)是使能的)，同等優(yōu)先級是否交替執(zhí)行
#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION  1                       //1啟用特殊方法(使用硬件方法)來選擇下一個(gè)要運(yùn)行的任務(wù)
                                                                        //一般是硬件計(jì)算前導(dǎo)零指令，如果所使用的
                                                                        //MCU沒有這些硬件指令的話此宏應(yīng)該設(shè)置為0！
#define configUSE_TICKLESS_IDLE          0                       //1啟用低功耗tickless模式

然后是基礎(chǔ)配置選項(xiàng)，重要的幾個(gè)是configUSE_QUEUE_SETS、configCPU_CLOCK_HZ、configTICK_RATE_HZ、configMAX_TASK_NAME_LEN、configUSE_16_BIT_TICKS，其他保持默認(rèn)，configCPU_CLOCK_HZ要改成我們單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，這里使用了代碼定義的量SystemCoreClock，configTICK_RATE_HZ時(shí)鐘節(jié)拍頻率設(shè)置為1000，也就是周期為1ms，任務(wù)名字字符串長度configMAX_TASK_NAME_LEN如果你創(chuàng)建任務(wù)時(shí)的命名很長，需要改一下，configUSE_16_BIT_TICKS使用的時(shí)鐘位數(shù)，需要和單片機(jī)一致，STM32為32位，這里需要將這個(gè)宏定義為0。

/***************************************************************************************************************/
/*                                        FreeRTOS基礎(chǔ)配置配置選項(xiàng)                                               */
/***************************************************************************************************************/
#define configUSE_QUEUE_SETS          1                       //為1時(shí)啟用隊(duì)列
#define configCPU_CLOCK_HZ            (SystemCoreClock)       //CPU頻率
#define configTICK_RATE_HZ            (1000)                  //時(shí)鐘節(jié)拍頻率，這里設(shè)置為1000，周期就是1ms
#define configMAX_PRIORITIES          (32)                    //可使用的最大優(yōu)先級
#define configMINIMAL_STACK_SIZE        ((unsigned short)130)   //空閑任務(wù)使用的堆棧大小
#define configMAX_TASK_NAME_LEN          (20)                    //任務(wù)名字字符串長度

#define configUSE_16_BIT_TICKS          0                       //系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)數(shù)器變量數(shù)據(jù)類型，
                                                                        //1表示為16位無符號整形，0表示為32位無符號整形
#define configIDLE_SHOULD_YIELD          1                       //為1時(shí)空閑任務(wù)放棄CPU使用權(quán)給其他同優(yōu)先級的用戶任務(wù)
#define configUSE_TASK_NOTIFICATIONS            1                       //為1時(shí)開啟任務(wù)通知功能，默認(rèn)開啟
#define configUSE_MUTEXES            1                       //為1時(shí)使用互斥信號量
#define configQUEUE_REGISTRY_SIZE        8                       //不為0時(shí)表示啟用隊(duì)列記錄，具體的值是可以
                                                                        //記錄的隊(duì)列和信號量最大數(shù)目。
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW      0                       //大于0時(shí)啟用堆棧溢出檢測功能，如果使用此功能
                                                                        //用戶必須提供一個(gè)棧溢出鉤子函數(shù)，如果使用的話
                                                                        //此值可以為1或者2，因?yàn)橛袃煞N棧溢出檢測方法。
#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES        1                       //為1時(shí)使用遞歸互斥信號量
#define configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK      0                       //1使用內(nèi)存申請失敗鉤子函數(shù)
#define configUSE_APPLICATION_TASK_TAG      0                       //1為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)“標(biāo)簽”值，標(biāo)簽鉤子函數(shù)
#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES      1                       //為1時(shí)使用計(jì)數(shù)信號量

然后是與內(nèi)存申請有關(guān)配置選項(xiàng)，一般保持默認(rèn)就行，系統(tǒng)總堆大小可能需要微調(diào)。

/***************************************************************************************************************/
#define configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION        1                       //支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請
#define configTOTAL_HEAP_SIZE          ((size_t)(20*1024))     //系統(tǒng)所有總的堆大小

然后是與鉤子函數(shù)有關(guān)的配置選項(xiàng)，我們不需要使用鉤子函數(shù)，也不建議初學(xué)者用，因?yàn)榭臻e任務(wù)的鉤子函數(shù)需要寫的很高效率盡量不阻塞。

#define configUSE_IDLE_HOOK            0                       //1，使用空閑鉤子；0，不使用
#define configUSE_TICK_HOOK            0                       //1，使用時(shí)間片鉤子；0，不使用

與運(yùn)行時(shí)間和任務(wù)狀態(tài)收集有關(guān)的配置選項(xiàng) ，這部分主要與調(diào)試代碼有關(guān)，測一下代碼運(yùn)行時(shí)間，觀察效率等。

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS與運(yùn)行時(shí)間和任務(wù)狀態(tài)收集有關(guān)的配置選項(xiàng)                                 */
/***************************************************************************************************************/
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS                  0                               //為1時(shí)啟用運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)功能
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()        ConfigureTimeForRunTimeStats()  //定時(shí)器3提供時(shí)間統(tǒng)計(jì)的時(shí)基，頻率為10K，即周期為100us
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()            FreeRTOSRunTimeTicks          //獲取時(shí)間統(tǒng)計(jì)時(shí)間值

#define configUSE_TRACE_FACILITY                1                       //為1啟用可視化跟蹤調(diào)試
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS          1                       //與宏configUSE_TRACE_FACILITY同時(shí)為1時(shí)會(huì)編譯下面3個(gè)函數(shù)

與協(xié)程有關(guān)的配置選項(xiàng)，保持默認(rèn)，我們用不到協(xié)程。

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS與協(xié)程有關(guān)的配置選項(xiàng)                                                  */
/***************************************************************************************************************/
#define configUSE_CO_ROUTINES               0                       //為1時(shí)啟用協(xié)程，啟用協(xié)程以后必須添加文件croutine.c
#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES         ( 2 )                   //協(xié)程的有效優(yōu)先級數(shù)目

與軟件定時(shí)器有關(guān)的配置選項(xiàng)，F(xiàn)reeRTOS自帶軟件定時(shí)器，但是我們一般也用不到，STM32中有硬件定時(shí)器-滴答定時(shí)器，用這個(gè)就行。

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS與軟件定時(shí)器有關(guān)的配置選項(xiàng)                                            */
/***************************************************************************************************************/
#define configUSE_TIMERS                1                               //為1時(shí)啟用軟件定時(shí)器
#define configTIMER_TASK_PRIORITY            (configMAX_PRIORITIES-1)        //軟件定時(shí)器優(yōu)先級
#define configTIMER_QUEUE_LENGTH            5                               //軟件定時(shí)器隊(duì)列長度
#define configTIMER_TASK_STACK_DEPTH          (configMINIMAL_STACK_SIZE*2)    //軟件定時(shí)器任務(wù)堆棧大小

FreeRTOS可選函數(shù)配置選項(xiàng)，這些以INCLUDE_開頭的宏定義，主要是一些函數(shù)的開關(guān)，比如第一個(gè)INCLUDE_xTaskGetSchedulerState，設(shè)置為1意味著，使用TaskGetSchedulerState這個(gè)函數(shù)。

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS可選函數(shù)配置選項(xiàng)                                                      */
/***************************************************************************************************************/
#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState          1           //獲取任務(wù)調(diào)度狀態(tài)           
#define INCLUDE_vTaskPrioritySet            1      //任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置
#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet            1      //獲取任務(wù)優(yōu)先級
#define INCLUDE_vTaskDelete                1      //刪除任務(wù)
#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources          1      //清理任務(wù)占用資源
#define INCLUDE_vTaskSuspend              1      //暫停任務(wù)
#define INCLUDE_vTaskDelayUntil              1      //掛起任務(wù)，固定時(shí)間周期
#define INCLUDE_vTaskDelay                1      //掛起任務(wù)，延時(shí)一段時(shí)間
#define INCLUDE_eTaskGetState              1      //獲取任務(wù)狀態(tài)
#define INCLUDE_xTimerPendFunctionCall          1      //暫停狀態(tài)喚起

FreeRTOS與中斷有關(guān)的配置選項(xiàng)，用不著，也不用深究。

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS與中斷有關(guān)的配置選項(xiàng)                                                  */
/***************************************************************************************************************/
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
  #define configPRIO_BITS           __NVIC_PRIO_BITS
#else
  #define configPRIO_BITS           4                  
#endif

#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY      15                      //中斷最低優(yōu)先級
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  5                       //系統(tǒng)可管理的最高中斷優(yōu)先級
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY     ( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY < < (8 - configPRIO_BITS) )
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   ( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY < < (8 - configPRIO_BITS) )

最后是與中斷服務(wù)函數(shù)有關(guān)的配置選項(xiàng)，只不過做了兩個(gè)重命名。

/***************************************************************************************************************/
/*                                FreeRTOS與中斷服務(wù)函數(shù)有關(guān)的配置選項(xiàng)                                          */
/***************************************************************************************************************/
#define xPortPendSVHandler   PendSV_Handler
#define vPortSVCHandler   SVC_Handler

2

使用隊(duì)列進(jìn)行任務(wù)間的同步與互斥

原來的程序是STM32裸機(jī)開發(fā)，程序是順序執(zhí)行，可能使用中斷，對于電池電量收集、IMU數(shù)據(jù)采集、超聲波檢測等功能都是順序執(zhí)行，采用頻率控制各個(gè)“進(jìn)程”，即在while循環(huán)中使用函數(shù)獲取程序當(dāng)前時(shí)間，減去上一時(shí)刻時(shí)間，當(dāng)差值大于某一值時(shí)，運(yùn)行相應(yīng)函數(shù)，如下圖所示。

而在改進(jìn)后的程序中，采用實(shí)時(shí)系統(tǒng)，使用多線程的方式管理這些功能，為每個(gè)功能創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)（線程），根據(jù)任務(wù)調(diào)度機(jī)制運(yùn)行，如下圖所示。

并為各個(gè)任務(wù)設(shè)置優(yōu)先級，move_base是最基本的移動(dòng)任務(wù)優(yōu)先級最高。

各個(gè)任務(wù)之間通過隊(duì)列進(jìn)行溝通，不然move_base任務(wù)的優(yōu)先級最高，則會(huì)一直執(zhí)行，其他任務(wù)得不到執(zhí)行時(shí)間。

在move_base任務(wù)中以電池電量采集任務(wù)的執(zhí)行為例：

代碼邏輯：當(dāng)執(zhí)行到這部分代碼時(shí)，判斷電池隊(duì)列的句柄是否為NULL（之前創(chuàng)建了，所以不為空），然后使用xQueueReceive函數(shù)進(jìn)行隊(duì)列數(shù)據(jù)采集，從Battery_Queue隊(duì)列中將數(shù)據(jù)采集到Receive_vattery_volt變量中，剛開始采集時(shí)，隊(duì)列中肯定是沒數(shù)據(jù)的，這是就會(huì)進(jìn)入隊(duì)列阻塞，阻塞時(shí)間為portMAX_DELAY直到隊(duì)列中有數(shù)據(jù)，這時(shí)move_base任務(wù)則會(huì)掛起，低優(yōu)先級的任務(wù)會(huì)執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到電池電量采集任務(wù)時(shí)，向隊(duì)列中放入了數(shù)據(jù)，move_base任務(wù)則會(huì)搶占，繼續(xù)執(zhí)行，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)。

其他任務(wù)都是這個(gè)邏輯，使用這種方法的好處就是提高了我們程序的效率，使得STM32程序多線程執(zhí)行，并且提供了很多接口，方便用戶修改和閱讀。

3

總結(jié)

FreeRTOS在STM32F103上的移植完結(jié)，整理來說FreeRTOS還是挺簡單的，不過很多知識(shí)沒用到我也就沒仔細(xì)學(xué)，任務(wù)之間的同步互斥與溝通有很多方式，除了隊(duì)列還有信號量、互斥量等等，我只是選擇了最常用的一種。