什么是FreeRTOS？什么是CMSIS？

一、理解CMSIS-RTOS

现在网上很多资料和文章实际上都没有讲清楚CMSIS-RTOS这个东西，但理解它的原理构成太重要了，所以我按自己的理解把RTOS这部分的架构整理了一下，如有问题欢迎指正。

1.什么是FreeRTOS?

**目前CubeMX支持的CMSIS-RTOS使用的第三方内核就是FreeRTOS **

FreeRTOS是一个开源的轻量级实时操作系统，目前在我国嵌入式市场占有很大份额。与μC/OS-2/3、embOS等商业系统相比，在进行产品级应用时更加便捷自由。如果你先前接触过乐鑫的esp模块的话现在对FreeRTOS一定有比较深入的了解。

2.什么是CMSIS?

CMSIS(Common Microcontroller Software Interface Standard)是ARM提出的一种 Cortex-M /A处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层和软件接口层。

CMSIS的主要组件包含两个：

• CMSIS-CORE：提供与 Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4、SC000 和 SC300 处理器与外围寄存器之间的接口
• CMSIS-RTOS API：用于线程控制、资源和时间管理的实时操作系统的标准化编程接口
  

对STM32的CMSIS-RTOS来说，架构图中的Real Time Kernel 就是FreeRTOS(抽象层); CMSIS-CORE提供了硬件层的映射关系，与芯片型号有对应关系。

而CMSIS-RTOS API则实现了第三方实时内核API的再封装，与第三方实时内核有对应关系

综上，STM32CubeMX的 Middleware虽然使用了FreeRTOS,但部分函数其实已经经过封装了)，※使用的是CMSIS API 及 FreeRTOS的原生API。

CMSIS-RTOS在用户的应用代码和第三方的RTOS Kernel直接架起一道桥梁，一个设计在不同的RTOS之间移植，或者在不同Cortex MCU直接移植的时候，如果两个RTOS都实现了CMSIS-RTOS，那么用户的应用程序代码完全可以不做修改。

二、项目文件解析

其中 Drivers/CMSIS文件夹主要存放Cortex内核及设备文件、微控制器专用启动代码/系统文件，即CMSIS-RTOS Core部分的内容。

※而Middleware文件夹中则是FreeRTOS API和封装的CMSIS API的声明和定义。

三、启用FreeRTOS

① 使用CubeMX的情况下配置FreeRTOS非常简单，生成的代码相对也比较规整:

界面选择CMSIS_V2,移植性更好

系统时钟源会与RTOS冲突，需更改。

②随后进入config param选项卡或者文件配置参数【保存在FreeRTOSConfig.h中】：

configUSE_PREEMPTION： 调度模式配置。配置为1时为抢占式调度，配置为0时为合作式调度。实时操纵系统为实现其功能，应当设置为1。

configCPU_CLOCK_HZ： CPU时钟，在Systick为时钟源情况下应取SystemCoreClock 。

configTICK_RATE_HZ： 每秒系统心跳数。用于osDelay()[CMSIS] 、vTaskDelay()[FreeRTOS] 等延时函数，默认最大值为1000。因此”线程“切换和延时函数分辨率为1ms。

configMAX_PRIORITIES：(※) 最大任务优先级；最高优先级为(该值-1)。

configMINIMAL_STACK_SIZE：最小堆栈值，单位[4 字节]

configTOTAL_HEAP_SIZE：总共堆栈大小

configMAX_TASK_NAME_LEN ：最大TASK名称长度

configUSE_16_BIT_TICKS ： 配置心跳计时器数据位长度。0时为32位；配置为1时为16位。

configUSE_MUTEXES：(※) 使用互斥锁功能(1开) 。 互斥锁的作用是实现多任务间共享资源的独占式处理，防止多线程同时访问操作同一资源发生错误。

configUSE_RECURSIVE_MUTEXES：(※) 使用递归互斥锁

configUSE_COUNTING_SEMAPHORES：使用信号计量功能。

对STM32硬件来说，中断优先级越高值越小。而对FreeRTOS,任务优先级越高值越大。

※中断屏蔽/分类管理

RTOS在cortex-M上的实现是通过软件方式实现的。拿CubeMX生成的代码来说,
main.c中执行完初始化代码后执行osKernelStart()，进入消息回环(Scheduler)。

因此，硬件中断仍然有效；虽然已经使用了RTOS,但对于一些特殊功能，例如运动急停、避障等还是必须依靠中断实现。这引来了两个问题；

首先是中断会影响任务执行。对此FreeRTOS提供了中断屏蔽的方法，采用类似蒙版的方式，利用BASEPRI寄存器对不同优先级的中断进行分类管理：

configPRIO_BITS： MCU使用的优先级位数 ，STM32有4位所以设置为4，对应0~15优先级；数值越小，优先级越高。不要修改

另外，系统默认使用组4的配置，即16个优先级均为抢占优先级。

configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY: MCU的最低优先级， STM32为15。不要修改

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY：*设置内核使用的中断优先级。默认设置为最低优先级(8位高位填补)。*无必要修改

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY* 优先级阈值转换，不要修改。*

configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY：*配置FreeRTOS系统可管理的最大优先级。*对于cortex-M3取值为 0-15。

本项的意义在于，当中断的优先性等于或低于此值时，这类中断将由RTOS系统托管。 具体包括可被RTOS屏蔽，可以通过经RTOS托管的入口(函数名称相同)访问等；此类被接管的中断可以使用RTOS的部分API(FromISR的安全函数)。

而高于设定值优先级的中断则会照常执行，即*裸金属层的硬件级中断。*此类中断不能使用RTOS的API( 与RTOS系统运行平级，执行时中断了RTOS的运行) 。

一般使用RTOS时大部分中断都应由系统托管，使用RTOS不可控的硬件级中断容易导致执行错误和其他问题。CubeMX配置时也设置了限制。

CMSIS-RTOS控制中断开启关闭的函数为portDISABLE_INTERRUPTS()和portENABLE_INTERRUPTS()，两者定义在 portmacro.h中：

实际上是通过了宏定义的方式调用了RTOS的vPortRaiseBASEPRI()和vPortSetBASEPRI(0).

※延时函数的使用

在裸金属编程的时候，我们习惯使用LL_mDelay()和自定义的相似原理函数；而这在引入RTOS后会产生问题：

可以看到LL_mDelay()使用了SysTick计数器，调用时还会清零。而FreeRTOS用的时钟源就是SysTick。因此只要使用了CMSIS-RTOS，都不应使用利用Systick实现的延时函数。

当然 CMSIS和FreeRTOS也提供了相应的延时函数：

CMSIS API:

osStatus_t osDelay (uint32_t ticks);  //延时ticks个心跳；基于vTaskDelay();

osStatus_t osDelayUntil (uint32_t ticks);//延时至心跳计数为ticks; 基于vTaskDelayUntil();

FreeRTOS API:

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );//定时(相对心跳数)，并阻塞task

TickType_t xTaskGetTickCount();//返回系统此时心跳数

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement );
//定时(相对心跳数),并阻塞task.

vTaskDelay()和vTaskDelayUntil()效果不同，vTaskDelay()延时是相对延时，如果执行中发生中断将会导致执行周期的延长等问题。而vTaskDelayUntil是绝对延时，相对执行更严格。

当处于延时中时，任务会进入阻塞状态，延时执行完毕后转入准备状态，等待系统****跳转运行(高优先先行)，所以任务优先级不高的话执行时序也不能被严格保证。

※有关线程状态：

• 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.
  ※以上延时函数绝对不能用于中断，更不可以用于嵌套，否则会导致错误。

由此可见在使用RTOS的情况下，利用中断执行时序将变得非常复杂麻烦；中断延时一般只能通过__NOP__实现，严重影响系统效率，因此一般中断只用于改变标志位、状态位、硬件操作上，及时性的时序操作请利用中断联系信号机制实现。