一、理解CMSIS-RTOS

現(xiàn)在網(wǎng)上很多資料和文章實(shí)際上都沒(méi)有講清楚CMSIS-RTOS這個(gè)東西，但理解它的原理構(gòu)成太重要了，所以我按自己的理解把RTOS這部分的架構(gòu)整理了一下，如有問(wèn)題歡迎指正。

1.什么是FreeRTOS?

**目前CubeMX支持的CMSIS-RTOS使用的第三方內(nèi)核就是FreeRTOS **

FreeRTOS是一個(gè)開(kāi)源的輕量級(jí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目前在我國(guó)嵌入式市場(chǎng)占有很大份額。與μC/OS-2/3、embOS等商業(yè)系統(tǒng)相比，在進(jìn)行產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用時(shí)更加便捷自由。如果你先前接觸過(guò)樂(lè)鑫的esp模塊的話現(xiàn)在對(duì)FreeRTOS一定有比較深入的了解。

2.什么是CMSIS?

CMSIS(Common Microcontroller Software Interface Standard)是ARM提出的一種 Cortex-M /A處理器系列的與供應(yīng)商無(wú)關(guān)的硬件抽象層和軟件接口層。

CMSIS的主要組件包含兩個(gè)：

• CMSIS-CORE：提供與 Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4、SC000 和 SC300 處理器與外圍寄存器之間的接口
• CMSIS-RTOS API：用于線程控制、資源和時(shí)間管理的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化編程接口
  

對(duì)STM32的CMSIS-RTOS來(lái)說(shuō)，架構(gòu)圖中的Real Time Kernel 就是FreeRTOS(抽象層); CMSIS-CORE提供了硬件層的映射關(guān)系，與芯片型號(hào)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

而CMSIS-RTOS API則實(shí)現(xiàn)了第三方實(shí)時(shí)內(nèi)核API的再封裝，與第三方實(shí)時(shí)內(nèi)核有對(duì)應(yīng)關(guān)系

綜上，STM32CubeMX的 Middleware雖然使用了FreeRTOS,但部分函數(shù)其實(shí)已經(jīng)經(jīng)過(guò)封裝了)，※使用的是CMSIS API 及 FreeRTOS的原生API。

CMSIS-RTOS在用戶的應(yīng)用代碼和第三方的RTOS Kernel直接架起一道橋梁，一個(gè)設(shè)計(jì)在不同的RTOS之間移植，或者在不同Cortex MCU直接移植的時(shí)候，如果兩個(gè)RTOS都實(shí)現(xiàn)了CMSIS-RTOS，那么用戶的應(yīng)用程序代碼完全可以不做修改。

二、項(xiàng)目文件解析

其中 Drivers/CMSIS文件夾主要存放Cortex內(nèi)核及設(shè)備文件、微控制器專用啟動(dòng)代碼/系統(tǒng)文件，即CMSIS-RTOS Core部分的內(nèi)容。

※而Middleware文件夾中則是FreeRTOS API和封裝的CMSIS API的聲明和定義。

三、啟用FreeRTOS

① 使用CubeMX的情況下配置FreeRTOS非常簡(jiǎn)單，生成的代碼相對(duì)也比較規(guī)整:

界面選擇CMSIS_V2,移植性更好

系統(tǒng)時(shí)鐘源會(huì)與RTOS沖突，需更改。

②隨后進(jìn)入config param選項(xiàng)卡或者文件配置參數(shù)【保存在FreeRTOSConfig.h中】：

configUSE_PREEMPTION： 調(diào)度模式配置。配置為1時(shí)為搶占式調(diào)度，配置為0時(shí)為合作式調(diào)度。實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)其功能，應(yīng)當(dāng)設(shè)置為1。

configCPU_CLOCK_HZ： CPU時(shí)鐘，在Systick為時(shí)鐘源情況下應(yīng)取SystemCoreClock 。

configTICK_RATE_HZ： 每秒系統(tǒng)心跳數(shù)。用于osDelay()[CMSIS] 、vTaskDelay()[FreeRTOS] 等延時(shí)函數(shù)，默認(rèn)最大值為1000。因此”線程“切換和延時(shí)函數(shù)分辨率為1ms。

configMAX_PRIORITIES：(※) 最大任務(wù)優(yōu)先級(jí)；最高優(yōu)先級(jí)為(該值-1)。

configMINIMAL_STACK_SIZE：最小堆棧值，單位[4 字節(jié)]

configTOTAL_HEAP_SIZE：總共堆棧大小

configMAX_TASK_NAME_LEN ：最大TASK名稱長(zhǎng)度

configUSE_16_BIT_TICKS ： 配置心跳計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度。0時(shí)為32位；配置為1時(shí)為16位。

configUSE_MUTEXES：(※) 使用互斥鎖功能(1開(kāi)) 。 互斥鎖的作用是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間共享資源的獨(dú)占式處理，防止多線程同時(shí)訪問(wèn)操作同一資源發(fā)生錯(cuò)誤。

configUSE_RECURSIVE_MUTEXES：(※) 使用遞歸互斥鎖

configUSE_COUNTING_SEMAPHORES：使用信號(hào)計(jì)量功能。

對(duì)STM32硬件來(lái)說(shuō)，中斷優(yōu)先級(jí)越高值越小。而對(duì)FreeRTOS,任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高值越大。

※中斷屏蔽/分類管理

RTOS在cortex-M上的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)的。拿CubeMX生成的代碼來(lái)說(shuō),
main.c中執(zhí)行完初始化代碼后執(zhí)行osKernelStart()，進(jìn)入消息回環(huán)(Scheduler)。

因此，硬件中斷仍然有效；雖然已經(jīng)使用了RTOS,但對(duì)于一些特殊功能，例如運(yùn)動(dòng)急停、避障等還是必須依靠中斷實(shí)現(xiàn)。這引來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題；

首先是中斷會(huì)影響任務(wù)執(zhí)行。對(duì)此FreeRTOS提供了中斷屏蔽的方法，采用類似蒙版的方式，利用BASEPRI寄存器對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)行分類管理：

configPRIO_BITS： MCU使用的優(yōu)先級(jí)位數(shù) ，STM32有4位所以設(shè)置為4，對(duì)應(yīng)0~15優(yōu)先級(jí)；數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。不要修改

另外，系統(tǒng)默認(rèn)使用組4的配置，即16個(gè)優(yōu)先級(jí)均為搶占優(yōu)先級(jí)。

configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY: MCU的最低優(yōu)先級(jí)， STM32為15。不要修改

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY：*設(shè)置內(nèi)核使用的中斷優(yōu)先級(jí)。默認(rèn)設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)(8位高位填補(bǔ))。*無(wú)必要修改

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY* 優(yōu)先級(jí)閾值轉(zhuǎn)換，不要修改。*

configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY：*配置FreeRTOS系統(tǒng)可管理的最大優(yōu)先級(jí)。*對(duì)于cortex-M3取值為 0-15。

本項(xiàng)的意義在于，當(dāng)中斷的優(yōu)先性等于或低于此值時(shí)，這類中斷將由RTOS系統(tǒng)托管。 具體包括可被RTOS屏蔽，可以通過(guò)經(jīng)RTOS托管的入口(函數(shù)名稱相同)訪問(wèn)等；此類被接管的中斷可以使用RTOS的部分API(FromISR的安全函數(shù))。

而高于設(shè)定值優(yōu)先級(jí)的中斷則會(huì)照常執(zhí)行，即*裸金屬層的硬件級(jí)中斷。*此類中斷不能使用RTOS的API( 與RTOS系統(tǒng)運(yùn)行平級(jí)，執(zhí)行時(shí)中斷了RTOS的運(yùn)行) 。

一般使用RTOS時(shí)大部分中斷都應(yīng)由系統(tǒng)托管，使用RTOS不可控的硬件級(jí)中斷容易導(dǎo)致執(zhí)行錯(cuò)誤和其他問(wèn)題。CubeMX配置時(shí)也設(shè)置了限制。

CMSIS-RTOS控制中斷開(kāi)啟關(guān)閉的函數(shù)為portDISABLE_INTERRUPTS()和portENABLE_INTERRUPTS()，兩者定義在 portmacro.h中：

實(shí)際上是通過(guò)了宏定義的方式調(diào)用了RTOS的vPortRaiseBASEPRI()和vPortSetBASEPRI(0).

※延時(shí)函數(shù)的使用

在裸金屬編程的時(shí)候，我們習(xí)慣使用LL_mDelay()和自定義的相似原理函數(shù)；而這在引入RTOS后會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題：

可以看到LL_mDelay()使用了SysTick計(jì)數(shù)器，調(diào)用時(shí)還會(huì)清零。而FreeRTOS用的時(shí)鐘源就是SysTick。因此只要使用了CMSIS-RTOS，都不應(yīng)使用利用Systick實(shí)現(xiàn)的延時(shí)函數(shù)。

當(dāng)然 CMSIS和FreeRTOS也提供了相應(yīng)的延時(shí)函數(shù)：

CMSIS API:

osStatus_t osDelay (uint32_t ticks);  //延時(shí)ticks個(gè)心跳；基于vTaskDelay();

osStatus_t osDelayUntil (uint32_t ticks);//延時(shí)至心跳計(jì)數(shù)為ticks; 基于vTaskDelayUntil();

FreeRTOS API:

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );//定時(shí)(相對(duì)心跳數(shù))，并阻塞task

TickType_t xTaskGetTickCount();//返回系統(tǒng)此時(shí)心跳數(shù)

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement );
//定時(shí)(相對(duì)心跳數(shù)),并阻塞task.

vTaskDelay()和vTaskDelayUntil()效果不同，vTaskDelay()延時(shí)是相對(duì)延時(shí)，如果執(zhí)行中發(fā)生中斷將會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行周期的延長(zhǎng)等問(wèn)題。而vTaskDelayUntil是絕對(duì)延時(shí)，相對(duì)執(zhí)行更嚴(yán)格。

當(dāng)處于延時(shí)中時(shí)，任務(wù)會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，延時(shí)執(zhí)行完畢后轉(zhuǎn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，等待系統(tǒng)****跳轉(zhuǎn)運(yùn)行(高優(yōu)先先行)，所以任務(wù)優(yōu)先級(jí)不高的話執(zhí)行時(shí)序也不能被嚴(yán)格保證。

※有關(guān)線程狀態(tài)：

• RUNNING: The thread that is currently running is in the RUNNING state. Only one thread at a time can be in this state.
• READY: Threads which are ready to run are in the READY state. Once the RUNNING thread has terminated, or is BLOCKED , the next READY thread with the highest priority becomes the RUNNING thread.
• BLOCKED: Threads that are blocked either delayed, waiting for an event to occur or suspended are in the BLOCKED state.
• TERMINATED: When osThreadTerminate is called, threads are TERMINATED with resources not yet released (applies to joinable threads).
• INACTIVE: Threads that are not created or have been terminated with all resources released are in the INACTIVE state.
  ※以上延時(shí)函數(shù)絕對(duì)不能用于中斷，更不可以用于嵌套，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

由此可見(jiàn)在使用RTOS的情況下，利用中斷執(zhí)行時(shí)序?qū)⒆兊梅浅?fù)雜麻煩；中斷延時(shí)一般只能通過(guò)__NOP__實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率，因此一般中斷只用于改變標(biāo)志位、狀態(tài)位、硬件操作上，及時(shí)性的時(shí)序操作請(qǐng)利用中斷聯(lián)系信號(hào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。