FreeRTOS 实时操作系统

关键概念

任务状态机图解

创建任务和队列

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include "timers.h"

/* ─── 任务句柄和队列句柄 ──────────────────────────── */
static TaskHandle_t  hTask_Sensor  = NULL;
static TaskHandle_t  hTask_Display = NULL;
static QueueHandle_t qSensorData   = NULL;
static SemaphoreHandle_t xMutex_OLED = NULL;

/* ─── 传输数据结构 ───────────────────────────────── */
typedef struct {
  float    temperature;
  float    humidity;
  uint32_t timestamp;
} SensorData_t;

/* ─── 传感器采集任务（生产者）───────────────────── */
void Task_Sensor(void *pvParams) {
  (void)pvParams;
  SensorData_t data;

  for (;;) {
    /* 采集传感器数据（假设已实现）*/
    data.temperature = DHT22_ReadTemp();
    data.humidity    = DHT22_ReadHumi();
    data.timestamp   = HAL_GetTick();

    /* 发送到队列（阻塞最多 100ms，若队列满则丢弃）*/
    if (xQueueSend(qSensorData, &data, pdMS_TO_TICKS(100)) != pdPASS) {
      /* 队列满，可记录日志或统计丢帧 */
    }

    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));  /* 每2秒采集一次 */
  }
}

/* ─── 显示任务（消费者）────────────────────────── */
void Task_Display(void *pvParams) {
  (void)pvParams;
  SensorData_t data;
  char buf[32];

  for (;;) {
    /* 等待队列数据（永久阻塞，不占 CPU）*/
    if (xQueueReceive(qSensorData, &data, portMAX_DELAY) == pdPASS) {
      /* 获取 OLED 互斥锁（防止多任务同时刷屏）*/
      if (xSemaphoreTake(xMutex_OLED, pdMS_TO_TICKS(50)) == pdPASS) {
        SSD1306_Clear();
        snprintf(buf, sizeof(buf), "T:%.1fC H:%.1f%%",
                 data.temperature, data.humidity);
        SSD1306_PrintString(0, 0, buf);
        SSD1306_Refresh();
        xSemaphoreGive(xMutex_OLED);
      }
    }
  }
}

/* ─── 主函数：创建所有任务后启动调度器 ─────────── */
int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_I2C1_Init();

  /* 创建队列（深度=5，每条消息 sizeof(SensorData_t) 字节）*/
  qSensorData   = xQueueCreate(5, sizeof(SensorData_t));
  xMutex_OLED   = xSemaphoreCreateMutex();

  /* 创建任务（名称、栈字数、参数、优先级、句柄）*/
  xTaskCreate(Task_Sensor,  "Sensor",  256, NULL, 3, &hTask_Sensor);
  xTaskCreate(Task_Display, "Display", 256, NULL, 2, &hTask_Display);

  /* 启动调度器（永不返回）*/
  vTaskStartScheduler();
  while (1);  /* 永远不会到这里 */
}

任务通知（Task Notification）

任务通知是 FreeRTOS v8.2+ 提供的轻量级替代方案，比信号量快 45%，无需额外内核对象：

/* 从 ISR 通知任务（最高效的 ISR→Task 同步方式）*/
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
  BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
  if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {
    vTaskNotifyGiveFromISR(hTask_Sensor, &xHigherPriorityTaskWoken);
    /* 若被唤醒的任务优先级更高，请求上下文切换 */
    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
  }
}

/* 任务中等待通知 */
void Task_WaitForButton(void *pvParams) {
  for (;;) {
    ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);  /* 清零并等待 */
    /* 按键事件处理 */
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_12);
  }
}

看门狗（IWDG / WWDG）

/**
 * IWDG（独立看门狗）：由 LSI(32kHz) 时钟驱动，即使主时钟故障也能工作
 * 超时后强制系统复位，用于检测程序跑飞
 * 喂狗操作：定期调用 HAL_IWDG_Refresh()
 */
IWDG_HandleTypeDef hiwdg;

void IWDG_Init(void) {
  hiwdg.Instance       = IWDG;
  hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_64;  /* 32kHz/64 = 500Hz */
  hiwdg.Init.Reload    = 500;               /* 500/500Hz = 1秒超时 */
  HAL_IWDG_Init(&hiwdg);
}

/* FreeRTOS 喂狗任务：最低优先级，正常运行时能定期执行 */
void Task_WDG(void *pvParams) {
  for (;;) {
    HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  /* 每500ms喂一次，超时1秒 */
  }
}