FreeRTOS环境搭建与第一个任务创建

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前言

上一篇文章中，我们了解了FreeRTOS的基本概念和优势，相信很多朋友已经跃跃欲试，想亲手搭建FreeRTOS环境并运行第一个程序了。今天，我们就来手把手教大家如何从0开始搭建FreeRTOS开发环境，并创建第一个任务——让开发板上的LED灯闪烁起来！

一、开发环境准备

1. 硬件选择

为了方便学习和演示，我们推荐使用以下硬件：

• 主控芯片：STM32F103C8T6（一款非常经典的Cortex-M3内核芯片，资源适中，价格便宜）
• 开发板：最小系统板（核心板，带USB转串口功能）
• 辅助工具：USB数据线（用于供电、下载和串口通信）

当然，如果你有其他STM32系列的开发板（如F4系列、F7系列），或者ESP32、NXP等其他品牌的开发板，也完全可以使用，操作步骤基本类似。

2. 软件工具

我们需要安装以下软件：

(1) STM32CubeMX

STM32CubeMX是ST公司官方推出的一款图形化配置工具，可以帮助我们快速配置STM32芯片的各种外设和中间件，包括FreeRTOS。

• 下载地址：ST官网STM32CubeMX下载页
• 安装步骤：下载后双击安装，按照提示完成即可。需要注意的是，安装过程中会要求安装Java运行环境（JRE），如果你的电脑上还没有安装JRE，需要先安装JRE。

(2) Keil MDK-ARM

Keil MDK是一款专业的ARM嵌入式开发工具，用于编写、编译和下载代码。

• 下载地址：Keil官网下载页
• 安装步骤：下载后双击安装，按照提示完成即可。需要注意的是，Keil MDK需要注册（可以申请免费的4KB代码限制版本，足够我们学习使用）。

(3) ST-Link驱动

用于将代码下载到STM32开发板上。

• 下载地址：ST官网ST-Link驱动下载页
• 安装步骤：下载后解压，运行安装程序即可。

二、使用STM32CubeMX配置FreeRTOS

1. 新建项目

1. 打开STM32CubeMX软件，点击"Access to MCU Selector"（访问MCU选择器）。
2. 在搜索框中输入"STM32F103C8T6"，然后在搜索结果中选择该芯片，点击"Start Project"（开始项目）。
   
   

2. 配置时钟和外设

(1) 配置RCC（时钟）

• 点击左侧"System Core"（系统核心）→ “RCC”。
• 在右侧"High Speed Clock (HSE)“（高速时钟）选项中，选择"Crystal/Ceramic Resonator”（晶体/陶瓷谐振器）。
  

(2) 配置SYS（系统）

• 点击左侧"System Core"（系统核心）→ “SYS”。
• 在右侧"Debug"（调试）选项中，选择"Serial Wire"（串口线），这样我们才能使用ST-Link进行调试和下载。
  

(3) 配置GPIO（LED引脚）

• 点击左侧"System Core"（系统核心）→ “GPIO”。
• 在右侧芯片引脚图中，找到并点击"PC13"引脚（STM32F103C8T6最小系统板上的LED通常连接在PC13引脚上）。
• 在弹出的配置窗口中，选择"GPIO_Output"（GPIO输出）模式。
• 在下方"User Label"（用户标签）中输入"LED"，方便后续代码中引用。
  

3. 开启FreeRTOS组件

• 点击左侧"Middleware"（中间件）→ “FreeRTOS”。

• 在右侧"Mode"（模式）选项中，选择"CMSIS_V1"（如果你的CubeMX版本较新，也可以选择CMSIS_V2，两者使用方法类似）。
  

• 点击"Tasks and Queues"（任务和队列）标签页，然后点击"Add"（添加）按钮，添加一个新任务。
  

三、FreeRTOS第一个任务创建

1. 任务的基本概念

在FreeRTOS中，任务是操作系统调度的基本单位，每个任务都有自己的堆栈和任务控制块（TCB）。简单来说，一个任务就是一个无限循环的函数，例如：

voidTaskFunction(void*pvParameters){while(1){// 任务代码}}

2. 配置任务参数

在STM32CubeMX中，我们可以通过图形化界面来配置任务的参数：

• Task Name（任务名称）：输入"Task_LED"。
• Priority（优先级）：选择"osPriorityLow"（在cube中配置每个任务优先级时还是只能选择7种优先级，由低到高分别是：osPriorityIdle（空闲任务），osPriorityLow，osPriorityBelowNormal，osPriorityNormal，osPriorityAboveNormal，osPriorityHigh，osPriorityRealtime 。）。
• Stack Size（堆栈大小）：输入"128"（单位为字，即128×4=512字节，足够我们的LED闪烁任务使用）。
• Entry Function（入口函数）：自动生成为"StartTask_LED"，我们可以在这个函数中编写任务代码。
• Code Generation Option（代码生成选项）：保持默认即可。
  

配置完成后，点击"OK"按钮保存。

3. 生成代码

• 点击右上角"Project Manager"（项目管理器）标签页。

• 在"Project Name"（项目名称）中输入"FreeRTOS_LED"。

• 在"Project Location"（项目位置）中选择一个合适的文件夹。

• 在"Toolchain/IDE"（工具链/IDE）中选择"MDK-ARM"。
  

• 点击"Code Generator"（代码生成器）标签页，勾选"Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheral"（为每个外设生成一对.c/.h文件）。

• 最后，点击右上角"GENERATE CODE"（生成代码）按钮，生成Keil MDK项目。
  

四、编写LED闪烁任务代码

1. 打开Keil MDK项目

代码生成完成后，点击"Open Project"（打开项目）按钮，或者在项目文件夹中找到"FreeRTOS_LED.uvprojx"文件，双击打开。

2. 编写任务函数

在Keil MDK中，展开"Application/User/core"文件夹，找到并双击打开"freertos.c"文件。在该文件中，我们可以找到自动生成的任务入口函数"StartTask_LED"：

/* USER CODE BEGIN Header_StartTask_LED *//** * @brief Function implementing the Task_LED thread. * @param argument: Not used * @retval None *//* USER CODE END Header_StartTask_LED */voidStartTask_LED(voidconst*argument){/* USER CODE BEGIN StartTask_LED *//* Infinite loop */for(;;){HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin);// 翻转LED引脚电平osDelay(1000);// 延时1秒}/* USER CODE END StartTask_LED */}

我们需要在"/* USER CODE BEGIN StartTask_LED/“和”/USER CODE END StartTask_LED */"之间编写任务代码。上面的代码已经实现了LED闪烁功能：

• HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin)：翻转LED引脚的电平状态
• osDelay(1000)：FreeRTOS的延时函数，延时1000个时钟节拍（默认1ms/节拍，即延时1秒）

3. 任务函数编写规范

在编写FreeRTOS任务函数时，需要注意以下几点：

1. 任务函数应该是一个无限循环，不能返回
2. 任务函数内部应该有适当的延时，让其他任务有机会执行
3. 任务函数的参数是一个void指针，可以用来传递参数
4. 任务函数的命名应该清晰，表明任务的功能

五、下载与运行

1. 编译项目

• 在Keil MDK中，点击左上角"Rebuild"（重新编译）按钮，或者按下快捷键"F7"。
• 等待编译完成，如果没有错误，下方"Build Output"（编译输出）窗口会显示"0 Error(s), 0 Warning(s)."。
  

2. 下载到开发板

• 将ST-Link调试器连接到开发板上，然后将ST-Link的USB端连接到电脑。
• 在Keil MDK中，点击左上角"Download"（下载）按钮，或者按下快捷键"F8"。
• 等待下载完成，下方"Build Output"（编译输出）窗口会显示"Download completed successfully."。

3. 观察运行效果

• 下载完成后，开发板上的LED灯应该开始闪烁，大约每隔1秒闪烁一次（亮1秒，灭1秒）。
• 如果LED没有闪烁，可以检查一下接线是否正确，或者重新检查配置和代码。

六、代码解析

1. main.c中的FreeRTOS初始化流程

让我们来看一下main.c文件中的代码，了解FreeRTOS的初始化流程：

intmain(void){/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();/* USER CODE BEGIN 2 *//* USER CODE END 2 *//* Call init function for freertos objects (in freertos.c) */MX_FreeRTOS_Init();/* Start scheduler */osKernelStart();/* We should never get here as control is now taken by the scheduler *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while(1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */}

主要流程如下：

1. HAL_Init()：初始化HAL库
2. SystemClock_Config()：配置系统时钟
3. MX_GPIO_Init()：初始化GPIO外设（包括LED引脚）
4. MX_FreeRTOS_Init()：初始化FreeRTOS对象（包括创建我们的LED任务）
5. osKernelStart()：启动FreeRTOS调度器

2. 任务创建与调度分析

在freertos.c文件中，我们可以找到MX_FreeRTOS_Init()函数，其中包含了任务创建的代码：

/* Init FreeRTOS */voidMX_FreeRTOS_Init(void){/* Create the thread(s) *//* definition and creation of Task_LED */osThreadDef(Task_LED,StartTask_LED,osPriorityNormal,0,128);Task_LEDHandle=osThreadCreate(osThread(Task_LED),NULL);}

这里使用了CMSIS-RTOS的API函数来创建任务：

• osThreadDef()：定义一个任务，参数包括任务名称、任务入口函数、优先级、实例数和堆栈大小
• osThreadCreate()：创建任务，并返回任务句柄

任务创建完成后，调用osKernelStart()启动调度器，FreeRTOS就会开始调度任务执行。我们的LED任务会每隔1秒翻转一次LED引脚的电平，实现闪烁效果。

七、实践任务

为了加深大家对FreeRTOS任务优先级的理解，我们可以做一个小实验：

1. 在STM32CubeMX中，再创建一个任务Task_LED2，优先级设置为2（比Task_LED的优先级1高）。
2. 在Task_LED2的任务函数中，同样实现LED闪烁功能，但延时时间改为500毫秒。
3. 生成代码并下载到开发板，观察LED的闪烁频率有什么变化。

思考：为什么会出现这样的变化？这说明了FreeRTOS的什么调度特性？

八、总结

通过本文的学习，我们成功完成了以下内容：

1. 搭建了FreeRTOS的开发环境（STM32CubeMX + Keil MDK）
2. 配置了STM32F103C8T6的时钟、外设和FreeRTOS组件
3. 创建了第一个FreeRTOS任务，实现了LED闪烁功能
4. 下载并运行了程序，观察到了预期的效果
5. 解析了FreeRTOS的初始化流程和任务调度机制

下一篇文章，我们将深入学习FreeRTOS的任务管理，包括任务的状态转换、优先级设置和调度策略等内容。敬请期待！

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