STMicroelectronics 系列：STM32F7 系列_（19）.STM32F7系列RTOS支持
STM32F7系列RTOS支持
实时操作系统的概念
实时操作系统（RTOS）是一种能够管理硬件资源并提供任务调度、同步、通信等功能的操作系统，特别适用于需要在严格的时间约束下完成特定任务的嵌入式系统。STM32F7系列微控制器由于其强大的处理能力和丰富的外设资源，非常适合运行RTOS。本节将介绍RTOS的基本概念，并讨论STM32F7系列如何支持RTOS。
RTOS的基本功能
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任务管理：RTOS允许用户创建多个任务，并管理这些任务的执行顺序。每个任务都有自己的优先级，RTOS会根据优先级调度任务。
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中断管理：RTOS处理中断，确保中断服务例程（ISR）能够及时响应并处理。
-
内存管理：RTOS提供内存分配和管理功能，确保任务之间的内存隔离。
-
同步和通信：RTOS提供多种机制（如信号量、互斥锁、消息队列等）来同步任务和进行任务间的通信。
STM32F7系列的RTOS支持
STM32F7系列微控制器支持多种RTOS，包括FreeRTOS、RT-Thread、CMSIS-RTOS等。这些RTOS可以充分利用STM32F7的硬件资源，提高系统的实时性和可靠性。
FreeRTOS在STM32F7上的应用
FreeRTOS是一种流行的实时操作系统，广泛应用于嵌入式系统。STM32F7系列微控制器可以通过STM32CubeMX和STM32CubeIDE配置和使用FreeRTOS。
配置FreeRTOS
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使用STM32CubeMX：
-
打开STM32CubeMX，选择STM32F7系列微控制器。
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在中间的“Project Manager”页面中，选择“Middleware”选项卡。
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从列表中选择“FreeRTOS”，并配置相关参数（如任务堆栈大小、定时器配置等）。
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生成初始化代码并导入到STM32CubeIDE中。
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使用STM32CubeIDE：
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打开生成的项目，确保FreeRTOS库已经正确添加。
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在
main.c中初始化FreeRTOS，并创建任务。
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创建和管理任务
创建任务
在FreeRTOS中，任务的创建是通过xTaskCreate函数实现的。以下是一个简单的示例，创建两个任务并运行：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 任务函数原型
void Task1(void *pvParameters);
void Task2(void *pvParameters);
// 任务句柄
TaskHandle_t xTask1Handle = NULL;
TaskHandle_t xTask2Handle = NULL;
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1, // 任务入口函数
"Task1", // 任务名称
128, // 任务堆栈大小
NULL, // 任务参数
1, // 任务优先级
&xTask1Handle // 任务句柄
);
// 创建任务2
xTaskCreate(
Task2, // 任务入口函数
"Task2", // 任务名称
128, // 任务堆栈大小
NULL, // 任务参数
2, // 任务优先级
&xTask2Handle // 任务句柄
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
}
}
// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_6);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000ms
}
}
任务管理
FreeRTOS提供了多种任务管理函数，如删除任务、挂起任务、恢复任务等。以下是一个示例，展示如何删除一个任务：
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
// 检查某个条件，如果满足则删除任务
if (someCondition)
{
vTaskDelete(xTask1Handle);
}
}
}
任务间的同步和通信
信号量
信号量是一种同步机制，用于任务间的同步和资源管理。以下是一个使用二值信号量的示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 信号量句柄
SemaphoreHandle_t xSemaphore;
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
// 等待信号量
if (xSemaphoreTake(xSemaphore, pdMS_TO_TICKS(1000)) == pdTRUE)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
}
else
{
// 信号量未获取
// 可以在这里处理超时情况
}
}
}
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000ms
// 释放信号量
xSemaphoreGive(xSemaphore);
}
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建信号量
xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();
if (xSemaphore == NULL)
{
// 信号量创建失败
while(1);
}
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1,
"Task1",
128,
NULL,
1,
NULL
);
// 创建任务2
xTaskCreate(
Task2,
"Task2",
128,
NULL,
2,
NULL
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
消息队列
消息队列用于任务间的数据通信。以下是一个使用消息队列的示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 消息队列句柄
QueueHandle_t xQueue;
// 消息结构体
typedef struct
{
uint32_t message;
} Message_t;
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
Message_t xMessage;
while(1)
{
// 从消息队列中接收消息
if (xQueueReceive(xQueue, &xMessage, pdMS_TO_TICKS(1000)) == pdTRUE)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
}
else
{
// 消息队列为空
// 可以在这里处理超时情况
}
}
}
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
Message_t xMessage = {1234};
while(1)
{
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000ms
// 向消息队列发送消息
xQueueSend(xQueue, &xMessage, 0);
}
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建消息队列
xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(Message_t));
if (xQueue == NULL)
{
// 消息队列创建失败
while(1);
}
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1,
"Task1",
128,
NULL,
1,
NULL
);
// 创建任务2
xTaskCreate(
Task2,
"Task2",
128,
NULL,
2,
NULL
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
中断处理
FreeRTOS支持中断处理，确保中断服务例程（ISR）能够及时响应。以下是一个示例，展示如何在ISR中使用FreeRTOS的API：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 消息队列句柄
QueueHandle_t xQueue;
// 消息结构体
typedef struct
{
uint32_t message;
} Message_t;
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
Message_t xMessage;
while(1)
{
// 从消息队列中接收消息
if (xQueueReceive(xQueue, &xMessage, portMAX_DELAY) == pdTRUE)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
}
}
}
// 中断服务例程
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0);
}
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0)
{
// 向消息队列发送消息
Message_t xMessage = {1234};
xQueueSendFromISR(xQueue, &xMessage, NULL);
}
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 配置GPIO
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 配置NVIC
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 5, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
// 创建消息队列
xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(Message_t));
if (xQueue == NULL)
{
// 消息队列创建失败
while(1);
}
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1,
"Task1",
128,
NULL,
1,
NULL
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
互斥锁
互斥锁（Mutex）用于保护共享资源，防止多个任务同时访问。以下是一个使用互斥锁的示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "semphr.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 互斥锁句柄
StaticMutex_t xMutexBuffer;
SemaphoreHandle_t xMutex = NULL;
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
// 获取互斥锁
if (xSemaphoreTake(xMutex, pdMS_TO_TICKS(1000)) == pdTRUE)
{
// 访问共享资源
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
// 释放互斥锁
xSemaphoreGive(xMutex);
}
else
{
// 互斥锁未获取
// 可以在这里处理超时情况
}
}
}
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
// 获取互斥锁
if (xSemaphoreTake(xMutex, pdMS_TO_TICKS(1000)) == pdTRUE)
{
// 访问共享资源
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_6);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
// 释放互斥锁
xSemaphoreGive(xMutex);
}
else
{
// 互斥锁未获取
// 可以在这里处理超时情况
}
}
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建互斥锁
xMutex = xSemaphoreCreateMutexStatic(&xMutexBuffer);
if (xMutex == NULL)
{
// 互斥锁创建失败
while(1);
}
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1,
"Task1",
128,
NULL,
1,
NULL
);
// 创建任务2
xTaskCreate(
Task2,
"Task2",
128,
NULL,
2,
NULL
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
定时器
FreeRTOS提供了定时器功能，用于在指定的时间间隔内执行某个任务。以下是一个使用FreeRTOS定时器的示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "timers.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 定时器句柄
TimerHandle_t xTimer;
// 定时器回调函数
void TimerCallback(TimerHandle_t xTimer)
{
(void)xTimer;
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建定时器
xTimer = xTimerCreate(
"Timer1", // 定时器名称
pdMS_TO_TICKS(1000), // 周期（1000ms）
pdTRUE, // 定时器类型（周期性）
0, // 定时器ID
TimerCallback // 定时器回调函数
);
if (xTimer == NULL)
{
// 定时器创建失败
while(1);
}
// 启动定时器
xTimerStart(xTimer, 0);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
任务调度器
FreeRTOS的任务调度器负责管理任务的执行顺序。以下是一个示例，展示如何在任务调度器中管理任务优先级：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 任务函数原型
void Task1(void *pvParameters);
void Task2(void *pvParameters);
// 任务句柄
TaskHandle_t xTask1Handle = NULL;
TaskHandle_t xTask2Handle = NULL;
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1,
"Task1",
128,
NULL,
1,
&xTask1Handle
);
// 创建任务2
xTaskCreate(
Task2,
"Task2",
128,
NULL,
2,
&xTask2Handle
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
}
}
// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_6);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000ms
}
}
内存管理
FreeRTOS提供了多种内存管理机制，包括动态内存分配和静态内存分配。这些机制确保任务在运行过程中能够有效地管理内存资源，防止内存泄漏和过度使用。以下是一个使用动态内存分配的示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 任务函数原型
void Task1(void *pvParameters);
void Task2(void *pvParameters);
// 任务句柄
TaskHandle_t xTask1Handle = NULL;
TaskHandle_t xTask2Handle = NULL;
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建任务1
xTaskCreate(
Task1,
"Task1",
128,
NULL,
1,
&xTask1Handle
);
// 创建任务2
xTaskCreate(
Task2,
"Task2",
128,
NULL,
2,
&xTask2Handle
);
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
// 动态分配内存
uint32_t *pData = (uint32_t *)pvPortMalloc(4);
if (pData != NULL)
{
*pData = 1234;
// 使用内存
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
// 释放内存
vPortFree(pData);
}
// 内存分配失败，可以在这里处理错误
else
{
// 处理内存分配失败的情况
while(1);
}
}
}
// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_6);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000ms
}
}
静态内存分配
静态内存分配是一种更安全的内存管理方式，因为它不会在运行时动态分配内存，从而避免了内存碎片和内存耗尽的问题。以下是一个使用静态内存分配的示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "stm32f7xx_hal.h"
// 任务函数原型
void Task1(void *pvParameters);
void Task2(void *pvParameters);
// 任务句柄
TaskHandle_t xTask1Handle = NULL;
TaskHandle_t xTask2Handle = NULL;
// 静态任务控制块和堆栈
StaticTask_t xTask1Buffer, xTask2Buffer;
uint8_t ucTask1Stack[128 * sizeof(StackType_t)];
uint8_t ucTask2Stack[128 * sizeof(StackType_t)];
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 创建任务1
xTask1Handle = xTaskCreateStatic(
Task1, // 任务入口函数
"Task1", // 任务名称
128, // 任务堆栈大小
NULL, // 任务参数
1, // 任务优先级
ucTask1Stack, // 任务堆栈
&xTask1Buffer // 任务控制块
);
// 创建任务2
xTask2Handle = xTaskCreateStatic(
Task2, // 任务入口函数
"Task2", // 任务名称
128, // 任务堆栈大小
NULL, // 任务参数
2, // 任务优先级
ucTask2Stack, // 任务堆栈
&xTask2Buffer // 任务控制块
);
if (xTask1Handle == NULL || xTask2Handle == NULL)
{
// 任务创建失败
while(1);
}
// 开始调度器
vTaskStartScheduler();
// 无限循环
for(;;);
}
// 任务1函数
void Task1(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500)); // 延迟500ms
}
}
// 任务2函数
void Task2(void *pvParameters)
{
(void)pvParameters;
while(1)
{
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_6);
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000ms
}
}
RTOS在STM32F7上的优势
-
强大的处理能力：STM32F7系列微控制器基于Cortex-M7内核，具有高性能的处理能力，能够高效地运行RTOS。
-
丰富的外设资源：STM32F7系列集成了多种外设（如USB、以太网、CAN等），RTOS可以有效地管理和调度这些外设。
-
低功耗管理：STM32F7系列支持多种低功耗模式，RTOS可以通过任务调度和中断管理优化功耗。
-
实时性和可靠性：RTOS的实时性和可靠性特性使得STM32F7系列微控制器能够更好地应对复杂的实时应用场景。
总结
通过使用FreeRTOS，STM32F7系列微控制器可以实现多任务管理、中断处理、内存管理、任务间的同步和通信等功能。FreeRTOS的灵活性和可配置性使得它成为STM32F7系列微控制器的理想选择。无论是动态内存分配还是静态内存分配，FreeRTOS都能提供有效的内存管理机制，确保系统的稳定性和可靠性。此外，FreeRTOS的定时器功能和互斥锁机制也使得任务调度和资源管理变得更加简单和高效。
希望本节内容能够帮助您更好地理解和应用FreeRTOS在STM32F7系列微控制器上的开发。如果您有任何问题或需要进一步的帮助，请随时查阅相关文档或联系技术支持。