一、理解CMSIS-RTOS

現在網上很多資料和文章實際上都沒有講清楚CMSIS-RTOS這個東西，但理解它的原理構成太重要了，所以我按自己的理解把RTOS這部分的架構整理了一下，如有問題歡迎指正。

1.什么是FreeRTOS?

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

FreeRTOS是一個開源的輕量級實時操作系統，目前在我國嵌入式市場占有很大份額。與μC/OS-2/3、embOS等商業系統相比，在進行產品級應用時更加便捷自由。如果你先前接觸過樂鑫的esp模塊的話現在對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商無關的硬件抽象層和軟件接口層。

CMSIS的主要組件包含兩個：

• 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、資源和時間管理的實時操作系統的標準化編程接口
  

對STM32的CMSIS-RTOS來說，架構圖中的Real Time Kernel 就是FreeRTOS(抽象層); CMSIS-CORE提供了硬件層的映射關系，與芯片型號有對應關系。

而CMSIS-RTOS API則實現了第三方實時內核API的再封裝，與第三方實時內核有對應關系

綜上，STM32CubeMX的 Middleware雖然使用了FreeRTOS,但部分函數其實已經經過封裝了)，※使用的是CMSIS API 及 FreeRTOS的原生API。

CMSIS-RTOS在用戶的應用代碼和第三方的RTOS Kernel直接架起一道橋梁，一個設計在不同的RTOS之間移植，或者在不同Cortex MCU直接移植的時候，如果兩個RTOS都實現了CMSIS-RTOS，那么用戶的應用程序代碼完全可以不做修改。

二、項目文件解析

其中 Drivers/CMSIS文件夾主要存放Cortex內核及設備文件、微控制器專用啟動代碼/系統文件，即CMSIS-RTOS Core部分的內容。

※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非常簡單，生成的代碼相對也比較規整:

界面選擇CMSIS_V2,移植性更好

系統時鐘源會與RTOS沖突，需更改。

②隨后進入config param選項卡或者文件配置參數【保存在FreeRTOSConfig.h中】：

configUSE_PREEMPTION： 調度模式配置。配置為1時為搶占式調度，配置為0時為合作式調度。實時操縱系統為實現其功能，應當設置為1。

configCPU_CLOCK_HZ： CPU時鐘，在Systick為時鐘源情況下應取SystemCoreClock 。

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

configMAX_PRIORITIES：(※) 最大任務優先級；最高優先級為(該值-1)。

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

configTOTAL_HEAP_SIZE：總共堆棧大小

configMAX_TASK_NAME_LEN ：最大TASK名稱長度

configUSE_16_BIT_TICKS ： 配置心跳計時器數據位長度。0時為32位；配置為1時為16位。

configUSE_MUTEXES：(※) 使用互斥鎖功能(1開) 。 互斥鎖的作用是實現多任務間共享資源的獨占式處理，防止多線程同時訪問操作同一資源發生錯誤。

configUSE_RECURSIVE_MUTEXES：(※) 使用遞歸互斥鎖

configUSE_COUNTING_SEMAPHORES：使用信號計量功能。

對STM32硬件來說，中斷優先級越高值越小。而對FreeRTOS,任務優先級越高值越大。

※中斷屏蔽/分類管理

RTOS在cortex-M上的實現是通過軟件方式實現的。拿CubeMX生成的代碼來說,
main.c中執行完初始化代碼后執行osKernelStart()，進入消息回環(Scheduler)。

因此，硬件中斷仍然有效；雖然已經使用了RTOS,但對于一些特殊功能，例如運動急停、避障等還是必須依靠中斷實現。這引來了兩個問題；

首先是中斷會影響任務執行。對此FreeRTOS提供了中斷屏蔽的方法，采用類似蒙版的方式，利用BASEPRI寄存器對不同優先級的中斷進行分類管理：

configPRIO_BITS： MCU使用的優先級位數 ，STM32有4位所以設置為4，對應0~15優先級；數值越小，優先級越高。不要修改

另外，系統默認使用組4的配置，即16個優先級均為搶占優先級。

configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY: MCU的最低優先級， STM32為15。不要修改

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY：*設置內核使用的中斷優先級。默認設置為最低優先級(8位高位填補)。*無必要修改

configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY* 優先級閾值轉換，不要修改。*

configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY：*配置FreeRTOS系統可管理的最大優先級。*對于cortex-M3取值為 0-15。

本項的意義在于，當中斷的優先性等于或低于此值時，這類中斷將由RTOS系統托管。 具體包括可被RTOS屏蔽，可以通過經RTOS托管的入口(函數名稱相同)訪問等；此類被接管的中斷可以使用RTOS的部分API(FromISR的安全函數)。

而高于設定值優先級的中斷則會照常執行，即*裸金屬層的硬件級中斷。*此類中斷不能使用RTOS的API( 與RTOS系統運行平級，執行時中斷了RTOS的運行) 。

一般使用RTOS時大部分中斷都應由系統托管，使用RTOS不可控的硬件級中斷容易導致執行錯誤和其他問題。CubeMX配置時也設置了限制。

CMSIS-RTOS控制中斷開啟關閉的函數為portDISABLE_INTERRUPTS()和portENABLE_INTERRUPTS()，兩者定義在 portmacro.h中：

實際上是通過了宏定義的方式調用了RTOS的vPortRaiseBASEPRI()和vPortSetBASEPRI(0).

※延時函數的使用

在裸金屬編程的時候，我們習慣使用LL_mDelay()和自定義的相似原理函數；而這在引入RTOS后會產生問題：

可以看到LL_mDelay()使用了SysTick計數器，調用時還會清零。而FreeRTOS用的時鐘源就是SysTick。因此只要使用了CMSIS-RTOS，都不應使用利用Systick實現的延時函數。

當然 CMSIS和FreeRTOS也提供了相應的延時函數：

CMSIS API:

osStatus_t osDelay (uint32_t ticks);  //延時ticks個心跳；基于vTaskDelay();

osStatus_t osDelayUntil (uint32_t ticks);//延時至心跳計數為ticks; 基于vTaskDelayUntil();

FreeRTOS API:

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

TickType_t xTaskGetTickCount();//返回系統此時心跳數

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

vTaskDelay()和vTaskDelayUntil()效果不同，vTaskDelay()延時是相對延時，如果執行中發生中斷將會導致執行周期的延長等問題。而vTaskDelayUntil是絕對延時，相對執行更嚴格。

當處于延時中時，任務會進入阻塞狀態，延時執行完畢后轉入準備狀態，等待系統****跳轉運行(高優先先行)，所以任務優先級不高的話執行時序也不能被嚴格保證。

※有關線程狀態：

• 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.
  ※以上延時函數絕對不能用于中斷，更不可以用于嵌套，否則會導致錯誤。

由此可見在使用RTOS的情況下，利用中斷執行時序將變得非常復雜麻煩；中斷延時一般只能通過__NOP__實現，嚴重影響系統效率，因此一般中斷只用于改變標志位、狀態位、硬件操作上，及時性的時序操作請利用中斷聯系信號機制實現。