2023年薪火培训电控第六讲 —— RTOS

标签：需要优先级中断 RTOS flag 任务 2023 电控

什么是RTOS

RTOS 是实时操作系统（Real-Time Operating System）的缩写。它是一种专门用于实时任务处理的操作系统，用于管理和调度实时任务，并提供与硬件和外部设备的交互接口。

实时操作系统可以根据任务的时间要求和优先级，对任务进行调度和执行，以满足实时性的需求。它提供了任务管理、任务调度、中断处理、资源管理、通信机制等功能，使开发者能够方便地开发和管理实时应用程序。

操作系统

操作系统是一个控制程序，作为硬件和应用程序之间的桥梁，主要是和硬件打交道，负责协调分配计算资源和内存资源给不同的应用程序使用，并防止系统出现故障。面对来自不同应用程序的大量且互相竞争的资源请求，操作系统通过一个调度算法和内存管理算法尽可能把资源公平，有效率地分配给不同的程序。

实时？？？

实时性主要分为：硬实时和软实时

硬实时：要求任务在严格的时间限制内完成，并绝对不能错过截止时间。即使有一次时间违规，系统的正确性和可靠性也可能受到严重威胁。
软实时：任务有时间约束，但允许偶尔的时间违规。软实时任务的主要目标是在大部分情况下满足时间约束，但偶尔的延迟可能会被接受。

实时性的要求高主要是为了确保系统能够快速、准确地感知和响应各种情况，以提供安全性、稳定性和高效性能。

比如汽车的安全气囊系统，一旦检测到碰撞，系统必须在几毫秒的时间范围内完成气囊的充气，以在乘客撞击前提供必要的保护。任何延迟或错误可能导致安全气囊无法正常充气，从而无法起到保护作用，造成灾难性的后果。

和裸机开发的不同

裸机开发	基于RTOS的开发
在没有操作系统支持的情况下直接编写代码来控制STM32。需要手动编写任务调度、同步和通信机制，以及处理中断和定时器等底层硬件操作。	更高级别的抽象和便利，使开发过程更加简化和高效。适用于需要处理多任务和并发操作的应用程序，同时提供了丰富的功能和组件来管理任务和资源。

现在市面上常见的RTOS有freeRTOS、RT-Thread、µC/OS等等，本节课主要介绍freeRTOS。

freeRTOS

相关背景：
FreeRTOS是一个热门的嵌入式设备用即时操作系统核心，它最初由Richard Barry于2003年左右开发，并由Barry的公司Real Time Engineers Ltd进行后续的开发和维护。2017年，该公司将FreeRTOS项目的管理权交给了亚马逊网络服务（Amazon Web Services，AWS）。Barry继续作为AWS团队的一员继续开发FreeRTOS。

优势

FreeRTOS的设计小巧且简易，整个核心代码只有3到4个C文件，为了让代码容易阅读、移植和维护，大部分的代码都是以C语言编写，只有一些函数采用汇编语言编写。
开源，可免费使用

任务的配置和创建

CUBE MX的配置

根据自己的开发板选择型号
- 注意自己手上的是C6还是C8，可以给芯片打个光看一下
RCC
SYS，（这里有一点点不同，需要选择一个定时器作为时基）
以选TIM1为例
在middleware中选择FREERTOS在下拉菜单中选择CMSIS_V1
配置时钟频率72MHz
在Project Manager中进行最后的配置（这部分和以前一样），生成代码，打开project

两种任务配置的方法

直接敲代码

Task永远不会返回（return），实现需要套在一个死循环内，如果循环结束了需要调用vTaskDelete()进行删除

void myTask(void *pvParameters){
    
    for(;;){
        /* 任务实现的代码 */

        vTaskDelay(/*下一次执行的最短时间间隔*/);
        /* 让任务进入阻塞状态 */
        /* 也可以用osDelay()函数来实现 */
    }
    vTaskDelete( NULL );
    // NULL表示删除当前的任务，也可通过传入其他任务句柄来删除其他任务
}

我们以翻转一个标志位为例为例：

int flag_a = 0;
/* 在程序前面定义 */

void flip_flag(void* parameter) {
   int* p = parameter;
   for (;;) {
      *p = 1;
      *p = 0;
      vTaskDelay(1);
   }
}

完成函数的定义之后，就可以创建任务

创建任务需要调用如下函数：

BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode,
                        const char * const pcName,
                        uint16_t usStackDepth,
                        void *pvParameters,
                        UBaseType_t uxPriority,
                        TaskHandle_t *pxCreatedTask);

参数	含义
`pvTaskCode`	任务函数指针
`pcName`	任务名称，只在debug的时候有用，需要具有描述性。但这个参数不会被freeRTOS使用
`usStackDepth`	栈深度
`pvParameters`	参数指针，可以在传入任务后转换为需要的数据类型
`uxPriority`	任务优先级
`pxCreatedTask`	传出任务句柄的位置，用于在系统运行的时候改变任务的优先级或者删除

RTOS的标识符命名具有一定的规律，可以在下面这篇博客中进一步了解：
freeRTOS名称规范

在MX_FREERTOS_Init()函数内创建任务:

   xTaskCreate(flip_flag, "task_0", 128, &flag_a, 0, NULL);

使用Keil进行仿真

在使用之前，需要修改一下keil的配置

关闭代码优化
- 将优化级别改为-O0
配置仿真参数
- 将debug页面左边的Use Stimulator和Limit Speed to Real Time选上
- 在下面的Dialog DLL中填入DARMSTM.DLL,Parameter中填入-pSTM32F103C6(如果手上的板子是C8就填C8)

配置完成后，就可以进入debug模式

打开逻辑分析器后，将变量添加到里面，并将我们需要查看的标志位添加到逻辑分析器中

运行后即可看到标志位flag_a的变化，说明任务可以正常执行。

同一个函数也可以用来创建多个任务，

   int flag_b = 0;
   xTaskCreate(flip_flag, "task_1", 128, &flag_b, 0, NULL);

两个任务都可以被执行

CUBE MX同样为我们提供了比较简便的配置方式

在CUBE MX中进行配置

任务需要填入的参数与之前的相同，优先级改为Normal。

再次生成工程后，在freertos.c可以找到cube自动生成的代码，我们在StartTask02()的循环中写程序即可，内容与前面的flip_flag()函数类似。

且在MX_FREERTOS_Init()中，cube已经帮我们添加了创建任务的语句，只需要修改传入的参数

注意：在用cube重新生成工程之后，需要再次修改debug的配置

多任务调度

在实际开发的过程中，系统需要执行多个任务来维持自身的稳定，并对外界变化或指令进行相应。不同任务的执行时间和容忍的延迟各有不同，但我们使用的单片机是单核心的，在任意时刻只会有一个任务被执行，因此我们需要对任务进行合理的调度，来满足任务对于实时性的要求。

三种调度算法

先来先服务（FCFS）调度算法
按照任务到达的先后顺序进行调度，先到达的任务先执行。这种算法简单直观，但可能导致长任务优先的问题。
时间片轮转算法
将任务按照轮询顺序进行调度，每个任务执行一定的时间片（时间片轮转），然后切换到下一个任务。这种算法能够公平地分配CPU时间，但可能导致上下文切换开销较大。

可以试着将flip_flag()函数中的延迟注释掉，观察逻辑分析器的波形有什么变化
优先级调度算法
为每个任务分配优先级，并按照优先级进行调度。具有较高优先级的任务优先执行，但可能导致低优先级任务的饥饿问题。
可以通过下面的图了解一下

用Cubemx生成的FreeRTOS默认有七个优先级，这七个优先级定义在了cmsis_os.h中。与中断优先级不同，任务的优先数越大，则优先级越高。
- 举个
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