RTOS 与裸机开发

关键概念

为什么裸机开发会遇到瓶颈

假设一个设备需要：每 10ms 采集一次 ADC、每 100ms 刷新 OLED、随时响应按键、每秒通过串口上报数据。用裸机的前后台方式写，通常长这样：

/* 裸机前后台系统：一个大循环轮询所有任务 */
int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  BSP_Init();   /* 初始化 ADC/OLED/UART/按键 */

  while (1) {
    task_adc_sample();     /* 可能耗时 2ms  */
    task_oled_refresh();   /* 可能耗时 30ms —— 阻塞了整圈！ */
    task_key_scan();       /* 按键要等 OLED 刷完才被扫到 */
    task_uart_report();    /* 串口发送也要排队等待 */
  }
}

RTOS 如何解决：把大循环拆成独立任务

用 FreeRTOS，上面四个功能变成四个独立任务，各自可以放心地"阻塞式"延时。内核保证高优先级任务能及时抢占低优先级任务：

FreeRTOS 的源码结构与移植

FreeRTOS 内核非常精简，核心只有几个 C 文件。理解目录结构，才能正确地把它加入你的工程：

FreeRTOSConfig.h 关键配置

下面是一份最小可用的配置片段，每一项都直接影响内核行为：

/* FreeRTOSConfig.h — 核心配置项 */
#define configUSE_PREEMPTION            1   /* 1=抢占式  0=协作式 */
#define configCPU_CLOCK_HZ              168000000 /* CPU 主频 */
#define configTICK_RATE_HZ             1000 /* 系统节拍 1000Hz → 1ms 一个 tick */
#define configMAX_PRIORITIES            8   /* 优先级数：0(最低)~7(最高) */
#define configMINIMAL_STACK_SIZE       128 /* 空闲任务栈：单位是字(word)=4字节 */
#define configTOTAL_HEAP_SIZE          (15*1024) /* 内核堆总大小 15KB */
#define configUSE_16_BIT_TICKS          0   /* 32 位 tick 计数（Cortex-M 用 32 位） */

#define configUSE_MUTEXES               1   /* 启用互斥量 */
#define configUSE_TIMERS                1   /* 启用软件定时器 */
#define configUSE_IDLE_HOOK             0   /* 是否启用空闲钩子 */
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW  2   /* 栈溢出检测方法 2 */

/* Cortex-M 中断优先级配置（第 9 章详解） */
#define configPRIO_BITS                 4
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY        15
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  5

第一个程序：双任务闪灯 + 打印

下面创建两个任务：LedTask 每 500ms 翻转一次 LED，PrintTask 每 1s 打印一次心跳。两者独立并发，各自用 vTaskDelay 放心阻塞——这正是 RTOS 相较裸机最直观的好处。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "main.h"
#include <stdio.h>

/* 任务句柄，用于后续管理任务 */
TaskHandle_t g_ledHandle   = NULL;
TaskHandle_t g_printHandle = NULL;

/* 任务函数原型：参数固定为 void*，函数永不返回 */
void LedTask(void *pvParameters) {
  (void) pvParameters;                  /* 未用到参数，避免告警 */
  for (;;) {                             /* 任务主体是无限循环 */
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOD, GPIO_PIN_12);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  /* 阻塞 500ms，让出 CPU */
  }
}

void PrintTask(void *pvParameters) {
  (void) pvParameters;
  uint32_t beat = 0;
  for (;;) {
    printf("heartbeat #%lu, free heap = %u\r\n",
           beat++, (unsigned)xPortGetFreeHeapSize());
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
  }
}

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();

  /* 创建任务：函数、名字、栈深(word)、参数、优先级、句柄 */
  xTaskCreate(LedTask,   "LED",   128, NULL, 1, &g_ledHandle);
  xTaskCreate(PrintTask, "PRINT", 256, NULL, 2, &g_printHandle);

  /* 启动调度器：此函数正常情况下永不返回 */
  vTaskStartScheduler();

  /* 只有堆不足以创建空闲任务时才会执行到这里 */
  while (1) { }
}

xTaskCreate 的栈深度单位陷阱