STM32 教學系列第 13 節：FreeRTOS（實時操作系統）

🎯 學習目標

理解 RTOS 基本概念 - 掌握任務調度、同步機制
配置 FreeRTOS - 在 STM32 上運行多任務
實現任務通訊 - 隊列、信號量、互斥鎖

🎓 RTOS 基礎

RTOS 是什麼？

RTOS (Real-Time Operating System) 是實時操作系統。用途：

任務調度：決定哪個任務何時運行
優先級管理：高優先級任務優先執行
同步機制：保護共享資源
定時準確：毫秒級任務切換

FreeRTOS 核心概念

概念	說明
Task（任務）	獨立的程式流，有各自的棧和優先級
Priority（優先級）	0 ~ configMAX_PRIORITIES-1，越高越優先
Scheduler（調度器）	根據優先級決定運行哪個任務
Queue（隊列）	任務間安全傳遞訊息
Semaphore（信號量）	控制資源存取
Mutex（互斥鎖）	防止優先級反轉

STM32 上的 FreeRTOS

優勢：

✅ 完全免費開源
✅ 佔用空間少（最低 3KB）
✅ 支援優先級搶占式調度
✅ 豐富的同步原語

⚙️ CubeMX 配置

步驟 1：啟用 FreeRTOS

左側選 Middleware → 搜尋 FreeRTOS
Interface：CMSIS_V2

步驟 2：配置時基

System Timers and Clocks → SysTick timer
設定 SysTick 為 1ms（FreeRTOS 心跳）

步驟 3：配置任務堆棧

FreeRTOS：

TOTAL_HEAP_SIZE：4096 bytes（根據需要調整）
configMAX_PRIORITIES：5（最多 5 級優先級）

步驟 4：生成程式碼

💻 完整程式碼

FreeRTOS 多任務示例：main.c

/* STM32 Lesson 13 - FreeRTOS
 * 功能：多任務調度、任務通訊
 * 難度：高級
 */

#include "main.h"
#include "cmsis_os.h"
#include "usart.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
void UART_Print(const char *format, ...);

/* 任務宣告 */
void Task1_Start(void *argument);
void Task2_Start(void *argument);
void Task3_Start(void *argument);

UART_HandleTypeDef huart1;

/* 隊列宣告 */
osMessageQueueId_t queueHandle;

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  UART_Print("\r\n=== FreeRTOS Multi-Task Demo ===\r\n");

  /* 創建隊列 */
  queueHandle = osMessageQueueNew(10, sizeof(uint32_t), NULL);

  /* 創建任務 */
  osThreadNew(Task1_Start, NULL, NULL);  /* 優先級：osPriorityNormal */
  osThreadNew(Task2_Start, NULL, NULL);  /* 優先級：osPriorityNormal */
  osThreadNew(Task3_Start, NULL, NULL);  /* 優先級：osPriorityHigh */

  /* 啟動 RTOS 調度器 */
  osKernelStart();

  while (1);
}

/**
  * @brief Task 1：每 1 秒發送一個數值到隊列
  */
void Task1_Start(void *argument)
{
  uint32_t counter = 0;

  while (1)
  {
    UART_Print("Task1: Sending data %lu\r\n", counter);
    osMessageQueuePut(queueHandle, &counter, 0, 0);
    counter++;
    osDelay(1000);  /* 延遲 1 秒 */
  }
}

/**
  * @brief Task 2：從隊列接收資料並列印
  */
void Task2_Start(void *argument)
{
  uint32_t rx_data;
  osStatus_t status;

  while (1)
  {
    status = osMessageQueueGet(queueHandle, &rx_data, NULL, osWaitForever);
    if (status == osOK)
    {
      UART_Print("Task2: Received %lu\r\n", rx_data);
    }
  }
}

/**
  * @brief Task 3：高優先級任務，每 500ms 執行一次
  */
void Task3_Start(void *argument)
{
  while (1)
  {
    UART_Print("Task3: High Priority Task Running\r\n");
    osDelay(500);  /* 延遲 500ms */
  }
}

void UART_Print(const char *format, ...)
{
  char buffer[100];
  va_list args;
  va_start(args, format);
  vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args);
  va_end(args);
  
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
}

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 336;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = 2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 7;

  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
    Error_Handler();

  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
    Error_Handler();
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
}

static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
    Error_Handler();
}

void Error_Handler(void)
{
  while(1);
}

🔍 預期結果

UART 輸出示例

=== FreeRTOS Multi-Task Demo ===
Task3: High Priority Task Running
Task1: Sending data 0
Task2: Received 0
Task3: High Priority Task Running
Task1: Sending data 1
Task2: Received 1
Task3: High Priority Task Running
...

執行流程說明

Task1 每 1000ms 發送計數值到隊列
Task2 在隊列中等待，收到資料後立即列印
Task3 每 500ms 執行一次（優先級最高）
調度器根據優先級和時間片進行任務切換

💡 高級應用

常用 CMSIS-RTOS 2 API

函數	用途
`osThreadNew()`	創建任務
`osDelay()`	任務延遲（毫秒）
`osMessageQueueNew()`	創建訊息隊列
`osMessageQueuePut()`	訊息入隊
`osMessageQueueGet()`	訊息出隊
`osSemaphoreNew()`	創建信號量
`osMutexNew()`	創建互斥鎖
`osKernelStart()`	啟動 RTOS 調度器

進階：信號量同步

/* 兩個任務的同步範例 */
osSemaphoreId_t semaphore;

void Task_Producer(void *argument)
{
  while (1)
  {
    /* 進行一些工作 */
    UART_Print("Producer: Data ready\r\n");
    
    /* 釋放信號量，喚醒消費者 */
    osSemaphoreRelease(semaphore);
    
    osDelay(1000);
  }
}

void Task_Consumer(void *argument)
{
  while (1)
  {
    /* 等待信號量被釋放 */
    if (osSemaphoreAcquire(semaphore, osWaitForever) == osOK)
    {
      UART_Print("Consumer: Processing data\r\n");
    }
  }
}

進階：互斥鎖保護共享資源

/* 多個任務共享 UART 列印 */
osMutexId_t uart_mutex;

void Safe_UART_Print(const char *format, ...)
{
  /* 獲取互斥鎖 */
  osMutexAcquire(uart_mutex, osWaitForever);
  
  char buffer[100];
  va_list args;
  va_start(args, format);
  vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), format, args);
  va_end(args);
  
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
  
  /* 釋放互斥鎖 */
  osMutexRelease(uart_mutex);
}

📚 進階主題

1. 事件標誌（Event Flags）

用於多個任務的事件同步

osEventFlagsId_t event_flags;

/* 設置標誌 */
osEventFlagsSet(event_flags, 0x01);

/* 等待標誌 */
osEventFlagsWait(event_flags, 0x01, osFlagsWaitAny, osWaitForever);

2. 軟體計時器（Software Timer）

實現週期性任務或延遲執行

void Timer_Callback(void *argument)
{
  UART_Print("Timer fired!\r\n");
}

osTimerId_t timer = osTimerNew(Timer_Callback, osTimerPeriodic, NULL, NULL);
osTimerStart(timer, 1000);  /* 每 1000ms 執行一次 */

3. 任務通知（Task Notification）

輕量級的任務喚醒機制（比隊列和信號量快）

/* Task A 喚醒 Task B */
osThreadFlagsSet(task_b_id, 0x01);

/* Task B 等待通知 */
osThreadFlagsWait(0x01, osFlagsWaitAny, osWaitForever);

4. 動態記憶體管理

RTOS 提供的安全動態分配

void *pvPortMalloc(size_t xSize);  /* 動態分配 */
void vPortFree(void *pv);          /* 動態釋放 */

🎯 性能監測

任務運行時統計

/* 獲取任務資訊 */
osThreadState_t state = osThreadGetState(task_id);

/* 狀態值 */
switch (state)
{
  case osThreadInactive:
    UART_Print("Task is inactive\r\n");
    break;
  case osThreadReady:
    UART_Print("Task is ready to run\r\n");
    break;
  case osThreadRunning:
    UART_Print("Task is currently running\r\n");
    break;
  case osThreadBlocked:
    UART_Print("Task is blocked\r\n");
    break;
}

🎉 完成 13 節完整教學！

學習成果

✅ STM32 嵌入式開發完整知識體系
✅ 從基礎到工業級應用
✅ 13 個主題 50+ 個實踐範例
✅ 可直接應用於實務項目

建議進階方向

🚁 無人機飛控系統 - 使用 RTOS 進行多傳感器融合
📱 物聯網 IoT 設備 - 集成通訊協議和雲連接
🏭 工業控制系統 - MODBUS 網路和實時控制
🤖 機器人控制板 - 複雜的多軸運動控制
🚗 汽車電子應用 - CAN 網路和診斷協定

📖 推薦閱讀

FreeRTOS 官方文檔：https://www.freertos.org/
CMSIS-RTOS 2 標準：ARM 官方規範
嵌入式實時系統設計：相關教科書

🚀 STM32 完整系列教學圓滿完成！祝您在嵌入式開發中取得成就！

STM32 教學系列 第 13 節：FreeRTOS（實時操作系統）

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⚙️ CubeMX 配置

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步驟 2：配置時基

步驟 3：配置任務堆棧

步驟 4：生成程式碼

💻 完整程式碼

FreeRTOS 多任務示例：main.c

🔍 預期結果

UART 輸出示例

執行流程說明

💡 高級應用

常用 CMSIS-RTOS 2 API

進階：信號量同步

進階：互斥鎖保護共享資源

📚 進階主題

1. 事件標誌（Event Flags）

2. 軟體計時器（Software Timer）

3. 任務通知（Task Notification）

4. 動態記憶體管理

🎯 性能監測

任務運行時統計

🎉 完成 13 節完整教學！

學習成果

建議進階方向

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