STM32裸机开发转FreeRTOS教程

1. 简介

之前都是用CubeMX+Keil裸机开发STM32，最近第一次启用了FreeRTOS，用它可以实现多线程，但是如果写代码不严谨，单片机容易卡死，非常头疼。

2. RTOS设置

（1）分配内存

config parameters选项卡里，有个totoal heap size，意思大概是freertos占用的总内存，这个数值的默认值是比较小的，后面线程和队列加多了可能会不够，可以手动增加。我设置成的8kB，STM32f103rct6有48kB的RAM，是很充足的：

可以在heap usage里面看到使用情况，"still available"和"used"加起来正好是上面设置的总大小：

还有个minimal stack size参数，这个相当于一个底线，分配给每个任务的空间大小不能小于这个值。注意这个是用Word（字）作单位，32位单片机的一个字占4字节。

下图是设置任务的界面，每个任务默认给了128个字（半个kB）这个大小是比较适中的， 足够大部分常规任务的应用，也不会太占用单片机内存。

如果想节省内存，可以把前面minimal stack size设为64 Words（不允许更小了），然后把那些变量比较少的线程空间大小设置为64 Word。调试期间可以用随后介绍的方法查看线程空间够不够。

（2）查看任务剩余空间

为了用uxTaskGetStackHighWaterMark()查看任务剩余空间，需要在cubemx中开启它对应的使能，如下图。
在FreeRTOSConfig.h里面改会和cubemx冲突。

（3）使用osDelay

所有线程（除了IDLE）的死循环里面都需要至少加个osDelay(1)，否则容易卡死。
在cmsis_os.c里查看osDelay的函数体，可见它本质上就是vTaskDelay：

3. 队列的使用

（1）创建队列

在Cube的Tasks和Queues选项卡，添加队列：

Queue Size是队列长度，设置的别让队列溢出就行，可以用osMessageAvailableSpace()查询队列剩余长度。
Item Size是每个元素的长度，这个后面会讲。

生成代码之后，cube会在freertos.c里创建一个队列句柄：

osMessageQId ledQueHandle;

cube里面设置的item size，代表每个队列数据占用多少字节。但由于c语言属于初级语言，不能给函数传递不定长度的参数，添加队列元素的函数是：

osStatus osMessagePut (osMessageQId queue_id, uint32_t info, uint32_t millisec)

它的第二个参数info，始终是uint32_t类型的，占4个字节。那如何传递不同长度的数据呢？答案就是“指针传值”。

如果要传递的数据可以用4个字节表示，就用“直接传值”方法，item size设为4；如果单次数据量超过了4字节，可以把数据放在数组或结构体里面，用指针传值方法，item size为被传递的数组或结构体的大小。

（1）直接传值和指针传值

直接传值示例：

// 发送线程
void Task_Send(void const *arg)
{
	...
	int cmd;
	for(;;){
		...
		osMessagePut(ledQueHandle, (uint32_t)cmd, osWaitForever);// 参数是int或float等数值
		...
	}
}
// 接收线程：
void Task_Receive(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Task_LED */
	osEvent evt;
	int cmd;
	for(;;)	{
		evt = osMessageGet(ledQueHandle,0); 
		if(evt.status==osEventMessage){
			cmd=(int)evt.value.v; 
			...
		}
		osDelay(1);		
	}
}

指针传值示例：

// 发送线程
void Task_Send(void const *arg)
{
	...
	int cmd[4];//传递数组，队列的item size = 16
	// MyStructType cmd;//传递结构体，需要预先定义MyStructType类型，队列的item size = sizeof(MyStructType)
	for(;;){
		...
		osMessagePut(ledQueHandle, (uint32_t)cmd, osWaitForever);//传递数组指针
//		osMessagePut(ledQueHandle, (uint32_t)&cmd, osWaitForever);//传递结构体指针
		...
	}
}
// 接收线程：
void Task_Receive(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Task_LED */
	osEvent evt;
	int* pcmd;//接收指针，需要和发送的指针类型一致
//	MyStructType * pcmd;
	for(;;)	{
		evt = osMessageGet(ledQueHandle,0); 
		if(evt.status==osEventMessage){
			pcmd = (int*)evt.value.p;//需要强制转型
//			pcmd = (MyStructType*)evt.value.p;			
			...
		}
		osDelay(1);
	}
}

由以上可见，直接传值就是把要传送数据直接放到队列里，接收的时候用evt.value.v；指针传值是把被传递数据的指针放在队列里，接收的时候用evt.value.p。

（2）发送/接收等待时间

osMessagePut()和osMessageGet()的最后一个参数都是等待时间，发送函数的可以设置成osWaitForever，表示阻塞线程直到把数据放入队列；
接收函数的等待时间最好设置为0，同时在循环里加个osDelay()释放主控资源。设置成osWaitForever会卡死。

（3）不要在硬件中断发送队列

cmsis_os.h开头注释有：

意思是osMessagePut可以放中断，但是经过实测，在硬件中断中调用osMessagePut()函数会卡死。
所以，只能在操作系统函数（线程，定时器）操作队列，中断函数传值可以用全局变量。

4. 数据传递和共享

（1）尽量用全局常量代替函数指针传参

用指针传递维度高、数据量大的变量，容易导致各种错误。可以定义成全局变量，在函数里直接用。
如果全局变量需要被多个文件调用，可以先在.c文件定义，再在.h文件用 extern 声明一下，这样其他的C文件只要#include这个.h文件就能用全局变量了。

（2）同一资源需要被多个线程访问的两种方法

①互斥锁：在读写函数里面，先获取Mutex，操作之后再释放Mutex。
②队列：其他线程请求压入队列，再由资源访问线程接收处理。如果是读取操作，可以在队列元素里放个接收变量的指针（没验证过！）
经过测试，即便是4字节的变量，也要避免不同线程直接访问，不然会出错。

5. 开发调试

（1）修改任务名称前备份代码，否则都会被删除

在cube里面修改任务名称和入口函数前千万记得备份代码，否则重新生成代码之后，之前写的代码都会被擦除。

（2）keil的字体和编码，vscode的使用

在菜单栏Edit最下面打开configuration窗口，设置编码和字体：


Editor选项卡里面，编码设置有两个选择：

①Courier字体方案（字体易读）：编码改成UTF-8，这是为了适配Courier字体。同时为了让cube适配UTF-8，需要添加一个系统环境变量，变量名称：JAVA_TOOL_OPTIONS，变量值：-Dfile.encoding=UTF-8。如果不加环境变量，cube会把中文注释搞成乱码。
②Keil默认字体方案（较难阅读）：保持GB2312编码，也不用设置全局变量了。

同时勾选右边的“Automatic reload of externally modified files”，避免每次都提示要不要重新加载：

如果选Courier字体方案，还需要在Colors & Fonts选项卡设置：

开发过程中，可以用vscode打开项目文件夹，在里面写代码，再在keil里面编译下载。VSC的代码辅助比Keil好多了，而且深色主题更护眼。

（3）DMA串口日志

启用日志打印串口的发送DMA可以最小的干预主程序的运行。方法是在cube里面添加一个tx的dma通道，DMA参数默认

在NVIC页面里面，可以把DMA的中断关上，因为日志打印要求不高，不需要在DMA终端里面判断数据有没有发送完：

代码里面，可以先定义个全局数组作为发送缓冲区，在函数里用sprintf格式化字符串，先调用DMAStop，再发送，不然只能发送一次：

char uart_buf[50]; // 日志发送缓冲区
void Timer_Callback() // 要发送日志的函数，例如软件定时器
{
	sprintf(uart_buf,"%.2f %.2f %.2f %.2f\r\n",Mot.spd_sv, Mot.spd_pv, Mot.pos_sv, Mot.pos_pv);
	HAL_UART_DMAStop(&huart3);
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart3,uart_buf,strlen(uart_buf));
}

这个方法适用于周期循环发送日志的情况，发送周期基本上大于一次发送用时就行了，偶尔一次数据覆盖也没关系。如果日志量比较大，可以提高串口波特率。

（4）文档放在项目文件夹外面，以免被cube删除

如果要在项目里新建一个文件夹用来放文档，需要用全英文，避免特殊符号，以防被cube搞坏。或者把文档放项目文件夹外面。

6. LCD乱码问题

调试期间发现写入数据到芯片内部Flash之后，显示屏会出现字符错误。
解决方法是把把Flash写入地址往后移，从0x0800A000移到0x0800B000后，问题就消失了。
应该是代码地址和参数写入地址冲突了。