FreeRTOS中文实用教程

©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.USINGTHEFREERTOSREALTIMEKERNELAPracticalGuideRichardBarryFREERTOS实时内核实用指南©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.这篇文章的英文原版我是在上下载得到的。其实我并没有决定是否要在系统中使用FreeRTOS，虽然我想要的也仅仅是一个实时内核，当然更重要的是免费。之所以翻译这篇文章倒不是因为FreeRTOS有多么优秀，完全是因为这篇文章还不算太长。而且FreeRTOS.net仿佛致力于这个内核在国内的推广，也做了不少中文化的工作。所以我是打算利用工作之余，边看边译，到读完这篇文档，也就有个中文版了。如果FreeRTOS.net不弃的话，我倒是情愿放到这个网站上与大家共享。另外，我本人很懒，没有翻译附录，而且译完正文后也没有做过任何检查。所以如果有任何问题，请不要骂我。[e-mail]©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.第一章任务管理©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.1.1概览[附录中提供了使用FreeRTOS源代码的实用信息]小型多任务嵌入式系统简介不同的多任务系统有不同的侧重点。以工作站和桌面电脑为例：早期的处理器非常昂贵，所以那时的多任务用于实现在单处理器上支持多用户。这类系统中的调度算法侧重于让每个用户”公平共享”处理器时间。随着处理器功能越来越强大，价格却更偏宜，所以每个用户都可以独占一个或多个处理器。这类系统的调度算法则设计为让用户可以同时运行多个应用程序，而计算机也不会显得反应迟钝。例如某个用户可能同时运行了一个字处理程序，一个电子表格，一个邮件客户端和一个WEB浏览器，并且期望每个应用程序任何时候都能对输入有足够快的响应时间。桌面电脑的输入处理可以归类为”软实时”。为了保证用户的昀佳体验，计算机对每个输入的响应应当限定在一个恰当的时间范围——但是如果响应时间超出了限定范围，并不会让人觉得这台电脑无法使用。比如说，键盘操作必须在键按下后的某个时间内作出明显的提示。但如果按键提示超出了这个时间，会使得这个系统看起来响应太慢，而不致于说这台电脑不能使用。仅仅从单处理器运行多线程这一点来说，实时嵌入式系统中的多任务与桌面电脑的多任务从概念上来讲是相似的。但实时嵌入式系统的侧重点却不同于桌面电脑——特别是当嵌入式系统期望提供”硬实时”行为的时候。硬实时功能必须在给定的时间限制之内完成——如果无法做到即意味着整个系统的绝对失败。汽车的安全气囊触发机制就是一个硬实时功能的例子。安全气囊在撞击发生后给定时间限制内必须弹出。如果响应时间超出了这个时间限制，会使得驾驶员受到伤害，而这原本是可以避免的。大多数嵌入式系统不仅能满足硬实时要求，也能满足软实时要求。©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.术语说明在FreeRTOS中，每个执行线程都被称为”任务”。在嵌入式社区中，对此并没有一个公允的术语，但我更喜欢用”任务”而不是”线程”，因为从以前的经验来看，线程具有更多的特定含义。本章的目的是让读者充分了解：在应用程序中，FreeRTOS如何为各任务分配处理时间。在任意给定时刻，FreeRTOS如何选择任务投入运行。任务优先级如何影响系统行为。任务存在哪些状态。此外，还期望能够让读者解：如何实现一个任务。如何创建一个或多个任务的实例。如何使用任务参数。如何改变一个已创建任务的优先级。如何删除任务。如何实现周期性处理。空闲任务何时运行，可以用来干什么。本章所介绍的概念是理解如何使用FreeRTOS的基础，也是理解基于FreeRTOS的应用程序行为方式的基础——因此，本章也是这本书中昀为详尽的一章。©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.1.2任务函数任务是由C语言函数实现的。唯一特别的只是任务的函数原型，其必须返回void，而且带有一个void指针参数。其函数原型参见程序清单1。voidATaskFunction(void*pvParameters);程序清单1任务函数原型每个任务都是在自己权限范围内的一个小程序。其具有程序入口，通常会运行在一个死循环中，也不会退出。一个典型的任务结构如程序清单2所示。FreeRTOS任务不允许以任何方式从实现函数中返回——它们绝不能有一条”return”语句，也不能执行到函数末尾。如果一个任务不再需要，可以显式地将其删除。这也在程序清单2展现。一个任务函数可以用来创建若干个任务——创建出的任务均是独立的执行实例，拥有属于自己的栈空间，以及属于自己的自动变量(栈变量)，即任务函数本身定义的变量。voidATaskFunction(void*pvParameters){/*可以像普通函数一样定义变量。用这个函数创建的每个任务实例都有一个属于自己的iVarialbleExample变量。但如果iVariableExample被定义为static，这一点则不成立–这种情况下只存在一个变量，所有的任务实例将会共享这个变量。*/intiVariableExample=0;/*任务通常实现在一个死循环中。*/for(;;){/*完成任务功能的代码将放在这里。*/}/*如果任务的具体实现会跳出上面的死循环，则此任务必须在函数运行完之前删除。传入NULL参数表示删除的是当前任务*/vTaskDelete(NULL);}程序清单2典型的任务函数结构顶层任务状态应用程序可以包含多个任务。如果运行应用程序的微控制器只有一个核(core)，那么在任意给定时间，实际上只会有一个任务被执行。这就意味着一个任务可以有一个或两个状态，即运行状态和非运行状态。我们先考虑这种昀简单的模型——但请牢记这其实是过于简单，我们稍后将会看到非运行状态实际上又可划分为若干个子状态。当某个任务处于运行态时，处理器就正在执行它的代码。当一个任务处于非运行态时，该任务进行休眠，它的所有状态都被妥善保存，以便在下一次调试器决定让它进入运行态时可以恢复执行。当任务恢复执行时，其将精确地从离开运行态时正准备执行的那一条指令开始执行。图1顶层任务状态及状态转移任务从非运行态转移到运行态被称为”切换入或切入(switchedin)”或”交换入(swappedin)”。相反，任务从运行态转移到非运行态被称为”切换出或切出(switchedout)”或”交换出(swappedout)”。FreeRTOS的调度器是能让任务切入切出的唯一实体。FreeRTOS7DesignedForMicrocontrollers;©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.1.4创建任务xTaskCreate()API函数创建任务使用FreeRTOS的API函数xTaskCreate()。这可能是所有API函数中昀复杂的函数，但不幸的是这也是我们第一个遇到的API函数。但我们必须首先掌控任务，因为它们是多任务系统中昀基本的组件。本书中的所有示例程序都会用到xTaskCreate()，所以会有大量的例子可以参考。附录5：描述用到的数据类型和命名约定。portBASE_TYPExTaskCreate(pdTASK_CODEpvTaskCode,constsignedportCHAR*constpcName,unsignedportSHORTusStackDepth,void*pvParameters,unsignedportBASE_TYPEuxPriority,xTaskHandle*pxCreatedTask);程序清单3xTaskCreate()API函数原型表1xTaskCreate()参数与返回值参数名描述pvTaskCode任务只是永不退出的C函数，实现常通常是一个死循环。参数pvTaskCode只一个指向任务的实现函数的指针(效果上仅仅是函数名)。pcName具有描述性的任务名。这个参数不会被FreeRTOS使用。其只是单纯地用于辅助调试。识别一个具有可读性的名字总是比通过句柄来识别容易得多。应用程序可以通过定义常量config_MAX_TASK_NAME_LEN来定义任务名的昀大长度——包括’\0’结束符。如果传入的字符串长度超过了这个昀大值，字符串将会自动被截断。©2009RichardBarry.Distributionorpublicationinanyformisstrictlyprohibited.usStackDepth当任务创建时，内核会分为每个任务分配属于任务自己的唯一状态。usStackDepth值用于告诉内核为它分配多大的栈空间。这个值指定的是栈空间可以保存多少个字(word)，而不是多少个字节(byte)。比如说，如果是32位宽的栈空间，传入的usStackDepth值为100，则将会分配400字节的栈空间(100*4bytes)。栈深度乘以栈宽度的结果千万不能超过一个size_t类型变量所能表达的昀大值。应用程序通过定义常量configMINIMAL_STACK_SIZE来决定空闲任务任用的栈空间大小。在FreeRTOS为微控制器架构提供的Demo应用程序中，赋予此常量的值是对所有任务的昀小建议值。如果你的任务会使用大量栈空间，那么你应当赋予一个更大的值。没有任何简单的方法可以决定一个任务到底需要多大的栈空间。计算出来虽然是可能的，但大多数用户会先简单地赋予一个自认为合理的值，然后利用FreeRTOS提供的特性来确证分配的空间既不欠缺也不浪费。第六章包括了一些信息，可以知道如何去查询任务使用了多少栈空间。pvParameters任务函数接受一个指向void的指针(void*)。pvParameters的值即是传递到任务中的值。这篇文档中的一些范例程序将会示范