STM32 HAL库 Freertos创建多任务

1. 引言

STM32F407 是 ST 公司推出的一款高性能微控制器，具有丰富的外设资源和强大的处理能力。HAL（Hardware Abstraction Layer）库是 ST 为其微控制器提供的硬件抽象层，它简化了硬件操作，提高了开发效率。FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统，具有轻量级、可移植性强等特点，广泛应用于嵌入式系统开发中。本文将详细介绍如何基于 STM32F407 HAL 库和 FreeRTOS 创建多任务。

2. 开发环境搭建

在开始开发之前，需要搭建好相应的开发环境。以下是具体步骤：

2.1 安装开发工具

• STM32CubeMX：用于生成初始化代码和配置硬件。可以从 ST 官方网站下载并安装。
• Keil MDK：一款常用的 ARM 开发工具，支持 STM32 系列微控制器的开发。可以从 Keil 官方网站下载并安装。

2.2 安装 STM32F407 HAL 库

在 STM32CubeMX 中，通过 “Help” -> “Manage embedded software packages” 安装 STM32F4 系列的 HAL 库。

2.3 安装 FreeRTOS

在 STM32CubeMX 中，通过 “Middleware” -> “RTOS” 选择 FreeRTOS 进行安装。

3. 使用 STM32CubeMX 配置项目

打开 STM32CubeMX，创建一个新的项目，选择 STM32F407 芯片。以下是具体的配置步骤：

3.1 配置时钟

在 “RCC” 选项中，选择外部晶振作为时钟源，并配置系统时钟频率为 168MHz。

3.2 配置调试接口

在 “System Core” -> “SYS” 中，选择调试接口为 “Serial Wire”。

3.3 配置 FreeRTOS

在 “Middleware” -> “RTOS” 中，选择 FreeRTOS 的版本和内核选项。可以根据需要配置任务栈大小、优先级等参数。

3.4 生成代码

配置完成后，点击 “Project Manager”，选择生成代码的工具链为 “MDK-ARM”，然后点击 “Generate Code” 生成初始化代码。

4. 创建多任务

打开生成的 Keil 项目，在main.c文件中可以看到 FreeRTOS 的初始化代码。以下是创建多任务的详细步骤：

4.1 定义任务函数

在main.c文件中定义任务函数，每个任务函数都有一个特定的功能。例如，以下是两个简单的任务函数：

#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "cmsis_os.h"

// 任务句柄
osThreadId Task1Handle;
osThreadId Task2Handle;

// 任务1函数
void Task1(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
    // 任务1的具体操作
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);  // 翻转LED引脚
    osDelay(1000);  // 延时1秒
  }
}

// 任务2函数
void Task2(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
    // 任务2的具体操作
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"Task 2 is running!\r\n", 20, 100);  // 发送串口信息
    osDelay(2000);  // 延时2秒
  }
}

4.2 创建任务

在main.c文件的MX_FREERTOS_Init函数中创建任务。代码如下：

void MX_FREERTOS_Init(void) {
  /* 创建任务 */
  osThreadDef(Task1, Task1, osPriorityNormal, 0, 128);
  Task1Handle = osThreadCreate(osThread(Task1), NULL);

  osThreadDef(Task2, Task2, osPriorityNormal, 0, 128);
  Task2Handle = osThreadCreate(osThread(Task2), NULL);
}

4.3 启动调度器

在main函数中启动 FreeRTOS 调度器。代码如下：

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_FREERTOS_Init();

  /* 启动调度器 */
  osKernelStart();

  while (1)
  {
    // 主循环一般为空
  }
}

下面是一个基于 STM32F407 HAL 库和 FreeRTOS 创建多任务的示例代码：

#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "cmsis_os.h"

// 任务句柄
osThreadId Task1Handle;
osThreadId Task2Handle;

// 任务1函数
void Task1(void const * argument)
{
    for(;;)
    {
        // 任务1的具体操作
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);  // 翻转LED引脚
        osDelay(1000);  // 延时1秒
    }
}

// 任务2函数
void Task2(void const * argument)
{
    for(;;)
    {
        // 任务2的具体操作
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"Task 2 is running!\r\n", 20, 100);  // 发送串口信息
        osDelay(2000);  // 延时2秒
    }
}

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_FREERTOS_Init(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_FREERTOS_Init();

    /* 启动调度器 */
    osKernelStart();

    while (1)
    {
        // 主循环一般为空
    }
}

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    /** 初始化RCC振荡器 
    */
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
    /** 初始化RCC时钟 
    */
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                  |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    /* GPIO Ports Clock Enable */
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    /*Configure GPIO pin Output Level */
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);

    /*Configure GPIO pin : PA5 */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

static void MX_FREERTOS_Init(void)
{
    /* 创建任务 */
    osThreadDef(Task1, Task1, osPriorityNormal, 0, 128);
    Task1Handle = osThreadCreate(osThread(Task1), NULL);

    osThreadDef(Task2, Task2, osPriorityNormal, 0, 128);
    Task2Handle = osThreadCreate(osThread(Task2), NULL);
}

void Error_Handler(void)
{
    while(1)
    {
    }
}    

代码解释

• 任务函数：Task1和Task2是两个任务函数，在for(;;)无限循环里执行各自的操作。Task1每隔 1 秒翻转一次 LED 引脚，Task2每隔 2 秒通过串口发送一条信息。
• 任务创建：在MX_FREERTOS_Init函数中，借助osThreadDef宏定义任务，再用osThreadCreate函数创建任务。
• 调度器启动：在main函数中调用osKernelStart函数启动 FreeRTOS 调度器。

任务调度机制解析

FreeRTOS 支持两种主要的任务调度算法：抢占式调度和时间片轮转调度。

1. 抢占式调度

• 原理：高优先级的任务能够抢占低优先级任务的执行。一旦高优先级任务就绪（例如，等待的事件发生），调度器会马上暂停当前低优先级任务的执行，转而执行高优先级任务。
• 示例：若把Task1的优先级设为高，Task2的优先级设为低，当Task2正在执行时，Task1就绪，调度器会暂停Task2，开始执行Task1，等Task1阻塞或者完成后，再恢复执行Task2。

2. 时间片轮转调度

• 原理：针对相同优先级的任务，调度器采用时间片轮转的方式让它们轮流执行。每个任务在规定的时间片内执行，时间片用完后，调度器会切换到下一个相同优先级的就绪任务。
• 示例：若Task1和Task2优先级相同，调度器会给每个任务分配一个时间片，比如 10ms。Task1执行 10ms 后，调度器切换到Task2执行 10ms，如此循环。

3. 调度器工作流程

• 初始化：在启动调度器之前，要创建所有任务并将它们添加到就绪列表中。
• 选择任务：调度器会从就绪列表里选择优先级最高的任务。若有多个相同优先级的任务，就采用时间片轮转的方式选择。
• 任务切换：当任务阻塞（例如，调用osDelay函数）或者被高优先级任务抢占时，调度器会保存当前任务的上下文（寄存器值等），然后恢复下一个要执行任务的上下文，实现任务切换。

通过以上的配置和机制，FreeRTOS 能够有效地管理多个任务的执行，保证系统的实时性和稳定性。