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2014年8月6日DocID025801Rev21/26UM1722用户手册在具有RTOS的STM32Cube上开发应用前言STMCubeTM计划源自意法半导体,旨在通过减少开发的工作量、时间与成本,使开发者受益.
STM32Cube涵盖STM32产品系列.
STM32Cube1.
x版包括:图形软件配置工具STM32CubeMX,可通过图形化的生成初始化C代码.
针对每个系列提供综合的嵌入式软件平台(即STM32CubeF4用于STM32F4系列)–STM32抽象层嵌入式软件STM32CubeHAL,确保在STM32各个产品之间实现最大限度的可移植性–一套一致的中间件,比如RTOS、USB、TCP/IP、图形–所有嵌入式软件实用工具均配备一套完整的示例.
实时操作系统是为在嵌入式/实时应用中使用而优化的操作系统.
它们的主要目标是确保及时、确定性地响应事件.
使用实时操作系统,应用可写为一组独立的线程,线程间使用消息队列和信号量通信.
本用户手册的目标读者为在STM32微控制器上使用STM32Cube固件的开发者.
它完整描述了如何使用具有实时操作系统(RTOS)的STM32Cube固件组件;本用户手册还提供了一组示例说明,它们基于FreeRTOS,使用CMSIS-OS封装层提供的通用API.
在STM32Cube固件中,通过ARM提供的通用CMSIS-OS封装层,将FreeRTOS用作实时操作系统.
使用FreeRTOS的样例和应用可直接移植到其它任何RTOS而不需要修改高层API,在此情况下仅需更改CMSIS-OS封装.
请参考软件包的发布说明,以了解与STM32CubeTM共同使用的FreeRTOS和CMSIS-RTOS固件组件版本.
本文档适用于所有STM32器件;然而为了简洁起见,以STM32F4xx器件和STM32CubeF4作为参考平台.
若需了解更多在STM32设备上样例实现的信息,请参考相关STM32Cube固件包中提供的自述文件.
www.
st.
com目录UM17222/26DocID025801Rev2目录1FreeRTOS51.
1概述51.
2授权61.
3FreeRTOS源代码组织71.
4将FreeRTOS移植到STM3271.
5FreeRTOSAPI81.
6FreeRTOS存储器管理91.
7FreeRTOS低功耗101.
8FreeRTOS配置112CMSIS-RTOS模块122.
1概述122.
2CMSIS-RTOSAPI133FreeRTOS应用163.
1线程创建示例163.
2信号量示例173.
2.
1线程间信号量173.
2.
2从ISR得到信号量183.
3互斥量示例193.
4队列示例193.
5定时器示例203.
6低功耗示例214结论235FAQ246修订历史25DocID025801Rev23/26UM1722表格索引3表格索引表1.
FreeRTOSAPI.
8表2.
CMSIS-RTOSAPI13表3.
FreeRTOS应用类别16表4.
功耗比较22表5.
文档修订历史25图片索引UM17224/26DocID025801Rev2图片索引图1.
FreeRTOS许可6图2.
FreeRTOS架构7图3.
FreeRTOS移植7图4.
FreeRTOS配置11图5.
CMSIS-RTOS架构12图6.
线程示例17图7.
信号量示例18图8.
从ISR得到信号量18图9.
队列过程20图10.
周期性定时器21DocID025801Rev25/26UM1722FreeRTOS251FreeRTOS1.
1概述FreeRTOS是RTOS的一种,尺寸非常小,可运行于微控制器上,但其使用并不限于微控制器应用.
微控制器是尺寸小、资源受限的处理器,它在单个芯片上包含了处理器本身、用于保存要执行的程序的只读存储器(ROM或Flash)、所执行程序需要的随机存取存储器(RAM).
一般情况下,程序直接从只读存储器执行.
微控制器用于深度嵌入式应用(对于那些应用,您永远不会看到处理器本身或运行的软件),它们一般有非常明确、专门的工作.
尺寸的限制以及专用的终端应用等性质,令其很少能使用完整的RTOS实现-或者说不可能使用完整的RTOS实现.
因此,FreeRTOS仅为内核提供了实时调度功能、任务间通信、时序和同步原语.
这意味着更准确地说,它是一个实时内核,或实时执行器.
命令控制台界面、网络栈等额外的功能可作为附加组件.
FreeRTOS为可调整的实时示例生成器内核,专为小型嵌入式系统设计.
其特点包括FreeRTOS示例生成器内核——优先式、合作式及混合式配置选项.
官方支持27种架构(ARM7和ARMCortexM3每个算一种架构).
FreeRTOS-MPU支持CortexM3存储器保护单元(MPU).
设计目标为小尺寸、简单和易用.
一般来说,示例生成器内核二进制映像大约为4K到9K字节.
代码结构极易移植,主要用C编写.
支持任务和协同例程.
可通过队列、二进制信号量、计数信号量、递归信号量、互斥量在任务间、任务与中断间通信和同步.
互斥量有优先级继承.
支持高效的软件定时器.
强大的执行跟踪功能.
栈溢出检测选项.
预配置的示例应用,用于选定的单板电脑,可直接使用,加快学习曲线.
免费论坛支持,或可选择商业支持和授权.
可创建的任务数无软件限制.
可使用的优先级数无软件限制.
优先级指定无限制-可为多个任务指定同一优先级.
免费的开发工具可用于很多支持的架构.
免费的嵌入式软件源代码.
免版税.
可从标准的Windows主机交叉开发.
FreeRTOSUM17226/26DocID025801Rev2FreeRTOS的heap2方案用于内存分配管理,此方案使用最佳适用算法释放之前分配的块.
然而,它不会将相邻的自由块合并为一个大块.
可用的RAM总量通过定义configTOTAL_HEAP_SIZE设置-定义于FreeRTOSConfig.
h中.
1.
2授权FreeRTOS源代码使用修正的GNU通用公开许可来授权.
该修正使用了除外形式.
GNU通用公开许可全文如下:图1.
FreeRTOS许可7KH)UHH5726RUJVRXUFHFRGHLVOLFHQVHGE\WKHPRGLILHG*18*HQHUDO3XEOLF/LFHQVH*3/WH[WSURYLGHGEHORZ7KH)UHH5726GRZQORDGDOVRLQFOXGHVGHPRDSSOLFDWLRQVRXUFHFRGHVRPHRIZKLFKLVSURYLGHGE\WKLUGSDUWLHV$1',6/,&(16('6(3$5$7(/externuint32_tSystemCoreClock;#endif#defineconfigUSE_PREEMPTION1#defineconfigUSE_IDLE_HOOK0#defineconfigUSE_TICK_HOOK0#defineconfigCPU_CLOCK_HZ(SystemCoreClock)#defineconfigTICK_RATE_HZ((portTickType)1000)#defineconfigMAX_PRIORITIES((unsignedportBASE_TYPE)7)#defineconfigMINIMAL_STACK_SIZE((unsignedshort)128)#defineconfigTOTAL_HEAP_SIZE((size_t)(15*1024))#defineconfigMAX_TASK_NAME_LEN(16)#defineconfigUSE_TRACE_FACILITY1#defineconfigUSE_16_BIT_TICKS0#defineconfigIDLE_SHOULD_YIELD1#defineconfigUSE_MUTEXES1#defineconfigQUEUE_REGISTRY_SIZE8#defineconfigCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW0#defineconfigUSE_RECURSIVE_MUTEXES1#defineconfigUSE_MALLOC_FAILED_HOOK0#defineconfigUSE_APPLICATION_TASK_TAG0#defineconfigUSE_COUNTING_SEMAPHORES1/*Cortex-Mspecificdefinitions.
*/#ifdef__NVIC_PRIO_BITS/*__BVIC_PRIO_BITSwillbespecifiedwhenCMSISisbeingused.
*/#defineconfigPRIO_BITS__NVIC_PRIO_BITS#else#defineconfigPRIO_BITS4/*15prioritylevels*/#endif/*Thelowestinterruptprioritythatcanbeusedinacalltoa"setpriority"function.
*/#defineconfigLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY0xf/*ThehighestinterruptprioritythatcanbeusedbyanyinterruptserviceroutinethatmakescallstointerruptsafeFreeRTOSAPIfunctions*/#defineconfigLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY5/*Interruptprioritiesusedbythekernelportlayeritself.
ThesearegenerictoallCortex-Mports,anddonotrelyonanyparticularlibraryfunctions.
*/#defineconfigKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY(configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY>>FreeRTOS应用UM172218/26DocID025801Rev2图7.
信号量示例信号量创建说明:/*定义信号量*/osSemaphoreDef(SEM);/*创建二进制信号量*/osSemaphoreIdosSemaphore=osSemaphoreCreate(osSemaphore(SEM),1);使用此例:1.
生成应用代码并编程至STM32闪存2.
运行样例,检查LED是否如图7中描述的一样切换.
3.
2.
2从ISR得到信号量本例演示了怎样使用来自中断的信号量.
它包含了一个基本线程,无限等待信号量切换LED.
当用户按评估板的KEY按钮后,STM32会生成中断,信号量被释放.
图8.
从ISR得到信号量使用此例1.
生成应用代码并编程至STM32闪存2.
运行样例,检查当按评估板的KEY按钮时,LED1是否会切换.
喋倄ф喌/('喋ф喌喏/('ふ/('喋喌RV6HPDSKRUH:DLW喋喌RV6HPDSKRUH:DLWRV6HPDSKRUH:DLW喋喌喋喌RV6HPDSKRUH:DLWRV6HPDSKRUH5HOHDVHRV6HPDSKRUH5HOHDVHDocID025801Rev219/26UM1722FreeRTOS应用253.
3互斥量示例互斥量是包含了优先级继承机制的二进制信号量.
二进制信号量更适合于实现同步(在任务之间,或在任务和中断之间),而互斥量更适合于实现简单的互斥.
本例创建了三个具有不同优先级的线程,它们访问同一个互斥量.
1.
高优先级线程首先执行,抢占互斥量,然后短时间睡眠,让更低的优先级线程执行.
2.
中优先级线程通过执行阻塞"wait",尝试访问互斥量.
当互斥量已经被高优先级线程得到时,此线程阻塞.
直到高优先级线程释放互斥量,它才解除阻塞,实际上直到高优先级线程挂起自己,它才会运行.
3.
低优先级线程一直紧凑循环,尝试使用非阻塞调用得到互斥量.
因为它是最低优先级的线程,所以直到高、中优先级线程挂起,它才会成功得到互斥量.
4.
高优先级线程在挂起自己之前归还互斥量.
5.
中优先级线程得到互斥量,它所做的也仅是在挂起自己之前归还互斥量.
此刻,高、中优先级线程都已挂起.
6.
低优先级线程得到互斥量,它首先在归还互斥量之前继续两个挂起的线程,因此低优先级线程暂时继承了最高线程优先级.
互斥量创建说明:/*定义互斥量*/osMutexDef(osMutex);/*创建互斥量*/osMutexIdosMutex=osMutexCreate(osMutex(osMutex));使用此例:1.
生成应用代码并编程至STM32闪存2.
当运行于调试模式时,请将下述变量添加到调试器的实时监测:HighPriorityThreadCycles、MediumPriorityThreadCycles和LowPriorityThreadCycles;这三个变量必须保持相等.
LED1、LED2和LED4应无限切换,LED3仅在错误时打开3.
4队列示例队列是任务间通信的主要形式.
可使用队列在任务间、在中断与任务间传递消息.
在多数时候,它们作为线程安全的FIFO(先进先出)缓冲使用,新数据发送到队尾,有时也可发送到队头.
本例创建了两个线程,它们向队列发送/从队列接收递增的数.
一个线程作为生产者,另一个线程作为消费者.
消费者的优先级比生产者高,设置为读队列时阻塞.
队列空间仅能容纳一个对象,一旦生产者向队列发布了一条消息,消费者将解除阻塞,抢占生产者运行,删除该对象.
FreeRTOS应用UM172220/26DocID025801Rev2图9.
队列过程队列创建说明:/*定义队列,"QUEUE_SIZE"项为2个字节*/osMessageQDef(osqueue,QUEUE_SIZE,uint16_t);/*创建队列*/osMessageQIdosQueue=osMessageCreate(osMessageQ(osqueue),NULL);使用此例:1.
生成应用代码并编程至STM32闪存2.
运行该例,检查LED1是否在收到每条正确消息时切换,否则LED3切换.
3.
5定时器示例定时器可令函数在未来某设定时间执行.
由定时器执行的函数称为定时器的回调函数.
从定时器启动到回调函数执行之间的时间称为定时器的周期.
简单地说,当定时器周期结束时,执行回调函数.
本例演示了怎样基于FreeRTOSAPI使用CMSISRTOSAPI定时器,创建的周期性定时器每隔200毫秒调用一次回调函数,切换评估板的LED1.
喋喌喋喌RV0HVVDJH3XW喋喌RV0HVVDJH3XWRV0HVVDJH*HW喋喌RV0HVVDJH*HWDocID025801Rev221/26UM1722FreeRTOS应用25图10.
周期性定时器周期性定时器创建说明:/*定义一个定时器,"osTimerCallback"为其回调过程*/osTimerDef(LEDTimer,osTimerCallback);/*创建定时器*/osTimerIdosTimer=osTimerCreate(osTimer(LEDTimer),osTimerPeriodic,NULL);使用此例:1.
生成应用代码并编程至STM32闪存2.
运行此列,检查LED1是否每200毫秒(定时器周期结束)切换一次注:若要使用FreeRTOS软件定时器,请将"timers.
c"添加到您的项目工作空间.
3.
6低功耗示例本例演示了如何在低功耗模式下使用STM32设备运行FreeRTOS(若需FreeRTOS低功耗模式的更多信息,请参考第1.
7章节).
在FreeRTOSConfig.
h中,将configUSE_TICKLESS_IDLE定义为1,即可启用内置的无时间片空闲功能(低功耗)在本例中创建了两个线程和一个队列,它们具有下列功能:第一个线程"RxThread"阻塞于队列,等待数据,每次收到数据时切换LED(打开然后关闭),然后再次返回到阻塞于队列的状态.
第二个线程"TxThread"重复进入阻塞状态500ms.
当离开阻塞状态时,"TxThread"通过队列向"RxThread"发送一条消息(导致"RxThread"离开阻塞状态,切换LED).
当这两个线程阻塞时,内核停止时间片中断,将STM32置于低功耗(睡眠)模式以降低功耗.
表4显示了在所述的样例情况下,STM32F4设备上测得的功耗.
喋喌FreeRTOS应用UM172222/26DocID025801Rev2表4.
功耗比较硬件平台运行时模式睡眠模式STM324xG-EVAL62.
4mA14.
2mASTM324x9I-EVAL80.
5mA20.
8mADocID025801Rev223/26UM1722结论254结论本用户手册解释了如何在STM32CubeHAL驱动内集成FreeRTOS中间件组件.
本文说明了一组样例,以帮助用户基于FreeRTOS操作系统使用CMSIS-RTOSAPI开发应用.
FAQUM172224/26DocID025801Rev25FAQ怎样将FreeRTOS移植到不同的Cortex-M内核若需将FreeRTOS移植到正确的Cortex-M产品,您必须从正确的目录导入"port.
c".
例如,若微控制器是带有IAR工具的Cortex-M0内核,则您必须从"FreeRTOS\Source\portable\IAR\ARM_CM0"获取port.
c.
FreeRTOS使用多少ROM/RAM这取决于您的编译器、架构,以及RTOS内核配置.
一般来说,RTOS内核本身需要大约5到10K字节ROM空间.
如果创建的线程或队列数增加,RAM使用量就会上升.
怎样设置CPU时钟CPU时钟由FreeRTOSConfig.
h中的configCPU_CLOCK_HZ定义,在STM32CubeF4固件内它由SystemCoreClock提供,表示HCLK时钟(AHB总线),当通过调用SystemClock_Config()函数配置RCC时钟时会设置此值.
怎样设置中断优先级任何使用RTOSAPI函数的中断服务程序,其优先级必须手动设置为大于等于FreeRTOSConfig.
h文件中configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的设置值.
这确保了中断的逻辑优先级小于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY设置.
怎样使用非SysTick时钟生成时间片中断用户可选择性地自己提供时间片中断源,方法是使用非SysTick的定时器生成中断:提供vPortSetupTimerInterrupt()的实现,它会以configTICK_RATE_HZFreeRTOSConfig.
h常量指定的频率生成中断.
将xPortSysTickHandler()安装为定时器中断的处理程序,确保xPortSysTickHandler()在FreeRTOSConfig.
h中未映射至SysTick_Handler(),且在port.
c中未重命名为SysTick_Handler().
怎样启用无时间片空闲模式FreeRTOS无时间片模式(低功耗)通过进入睡眠模式并停止周期性的时间片中断来降低MCU功耗.
在FreeRTOSConfig.
h中,将configUSE_TICKLESS_IDLE定义为1,即可启用此功能当使用非SysTick定时器生成时间片中断时,也可启用无时间片空闲模式.
用户必须添加下列动作至上一个问题所述内容:在FreeRTOSConfig.
h中,将configUSE_TICKLESS_IDLE设为2.
按FreeRTOS网站的文档页面说明,定义portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP().
DocID025801Rev225/26UM1722修订历史256修订历史表5.
文档修订历史日期修订变更2014年2月18日1初始版本.
2014年6月23日2封面更新:–文件标题–参照STM32Cube中的STM32CubeF4UM172226/26DocID025801Rev2请仔细阅读:中文翻译仅为方便阅读之目的.
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