100 篇文章精通 STM32F103（第 17 篇）：FreeRTOS 入门与多任务并发实战

大家好！在前 16 篇中，我们用 “裸机编程”（前后台系统）实现了各类功能，但当系统需要同时处理多个任务（如 “每秒采样传感器”“实时显示数据”“定时存储日志”）时，裸机编程会暴露明显缺陷：高优先级任务可能被低优先级任务阻塞，任务响应延迟不可控。而FreeRTOS（Real-Time Operating System） 作为轻量级 RTOS 的代表，能通过 “任务调度器” 实现 “多任务并发执行”，确保高优先级任务优先响应。这一篇我们将从 FreeRTOS 的核心概念讲起，详解其在 STM32F103 上的移植与配置，通过 “三任务并发” 实操，让你掌握实时操作系统的基础应用。

一、为什么需要 FreeRTOS？用 “餐厅管理” 理解核心逻辑

裸机编程就像 “只有 1 个服务员的餐厅”：服务员（CPU）必须完成当前客人的订单（任务 A），才能去接待下一个客人（任务 B），若任务 A 耗时久，任务 B 会一直等待。而 FreeRTOS 就像 “有调度员的餐厅”：

调度员（任务调度器）：根据客人优先级（任务优先级）安排服务员接待顺序，VIP 客人（高优先级任务）优先被服务；服务员（CPU）：在调度员指挥下，“分时” 服务多个客人（快速切换任务），从宏观上看多个任务在 “同时执行”；任务（Task）：每个客人的需求（如 “采样传感器”“显示数据”），每个任务有独立的栈空间和运行状态；资源锁（Mutex）：若多个客人需要共用一个设备（如打印机），调度员会发放 “使用许可”，避免冲突。

FreeRTOS 的核心优势：

实时性：高优先级任务可抢占低优先级任务，响应延迟≤1 个调度周期（STM32F103 下通常 < 1ms）；模块化：任务、队列、信号量等功能可按需裁剪，最小内存占用仅 6KB；易用性：提供标准化 API（如
xTaskCreate创建任务、
vTaskDelay延时），无需手动管理任务切换。

二、FreeRTOS 的核心概念：任务、调度与同步

在使用 FreeRTOS 前，需先理解 4 个核心概念，这是后续实操的基础：

1. 任务（Task）：FreeRTOS 的最小执行单元

属性：每个任务有独立的栈空间（存储局部变量、寄存器值）和优先级（0~31，数值越大优先级越高）；状态：任务有 5 种状态，调度器负责状态切换：
运行态（Running）：CPU 正在执行该任务；就绪态（Ready）：任务已就绪，等待 CPU 调度；阻塞态（Blocked）：任务因延时（如
vTaskDelay）或等待资源（如信号量）暂停运行；挂起态（Suspended）：任务被手动暂停（需
vTaskResume恢复）；删除态（Deleted）：任务被销毁，资源被回收。
创建方式：支持动态创建（从堆内存分配栈空间）和静态创建（使用指定数组作为栈），新手推荐动态创建。

2. 任务调度器（Scheduler）：任务的 “指挥中心”

调度算法：FreeRTOS 默认使用 “抢占式调度”—— 只要有高优先级任务进入就绪态，立即暂停当前低优先级任务，切换到高优先级任务；调度周期：由 “系统滴答定时器（SysTick）” 决定，默认每 1ms 触发一次调度（可修改）；启动条件：调用
vTaskStartScheduler()后，调度器开始工作，CPU 从此由调度器分配。

3. 任务同步与通信：解决多任务资源冲突

当多个任务需要协作（如 “任务 A 采样数据后通知任务 B 处理”）或共用资源（如串口）时，需用到同步机制：

队列（Queue）：用于任务间传递数据（如传感器采样值），支持 FIFO（先进先出），可实现异步通信；信号量（Semaphore）：用于 “资源计数”（如 2 个串口，信号量初始值 = 2，占用减 1，释放加 1）；互斥锁（Mutex）：用于 “独占资源保护”（如避免 2 个任务同时写串口，导致数据混乱）。

4. 系统资源：堆与栈

任务栈：每个任务的独立栈，大小需根据任务复杂度设置（如简单任务设 512 字节，复杂任务设 1024 字节），栈溢出会导致系统崩溃；系统堆：用于动态创建任务、队列等，堆大小在
FreeRTOSConfig.h中配置（如
configTOTAL_HEAP_SIZE = (size_t)(10 * 1024)，即 10KB）。

三、实操：FreeRTOS 移植与三任务并发

我们实现 3 个并发任务，模拟 “环境监测系统” 的核心功能：

任务 1（高优先级）：每 100ms 采样温湿度传感器（模拟），将数据发送到队列；任务 2（中优先级）：从队列接收采样数据，每 500ms 通过串口打印；任务 3（低优先级）：每 1 秒翻转 LED（PA5），指示系统运行状态。

1. 硬件准备与连接

STM32F103C8T6 核心板；LED+1kΩ 电阻（PA5→电阻→LED 正极→GND）；USB 转 TTL 模块（PA9-TX→模块 RX，PA10-RX→模块 TX，GND 共地）。

2. FreeRTOS 移植步骤（基于 STM32CubeIDE）

STM32CubeIDE 内置 FreeRTOS 组件，无需手动下载源码，直接配置即可：

步骤 1：新建工程并启用 FreeRTOS

打开 STM32CubeIDE，新建工程，选择 “STM32F103C8T6”；进入 “Pinout & Configuration” 界面，左侧 “Middleware & Software Packs”→“FreeRTOS”；点击 “Add”，选择 “FreeRTOS V10.3.1”（或最新版本），点击 “OK”；在 “Mode” 选项卡中，“CMSIS_Version” 选择 “CMSIS-RTOS V2”（推荐，API 更统一），其他默认。

步骤 2：配置系统时钟（确保 SysTick 正常）

FreeRTOS 依赖 SysTick 定时器作为调度时钟，需配置正确的系统时钟：

进入 “Clock Configuration” 界面，配置 HSE→PLL→72MHz 系统时钟（同第 3 篇）；确认 SysTick 时钟为 72MHz（默认由系统时钟分频得到，1ms 触发一次）。

步骤 3：配置 GPIO 与 UART

LED 引脚（PA5）：设为 “GPIO_Output”（推挽输出，初始低电平）；UART1（PA9-TX，PA10-RX）：配置为异步模式，波特率 115200，8N1（同第 7 篇）。

步骤 4：创建任务（通过图形化界面）

进入 FreeRTOS 的 “Tasks and Queues” 选项卡，点击 “Add” 创建 3 个任务：

创建队列（用于任务 1 和任务 2 通信）：
点击 “Queues”→“Add”，队列名称设为 “Queue_SensorData”，数据大小设为 “4 字节”（存储 float 类型的温度值），队列长度设为 “5”（最多缓存 5 个数据）。

步骤 5：生成代码

点击 “Generate Code”，CubeIDE 会自动生成 FreeRTOS 的初始化代码（任务创建、队列创建）和底层驱动。

3. 编写任务逻辑代码（main.c）

生成的代码中，任务入口函数（如
vTaskSensor）已自动声明，只需在
main.c的 “USER CODE” 区域实现函数逻辑：

（1）全局变量声明（队列句柄，自动生成，无需手动定义）

CubeIDE 会在
main.c中自动生成队列句柄：

/* USER CODE BEGIN PV */
// 温湿度数据（模拟）
float temp = 25.0f;
float humi = 60.0f;
/* USER CODE END PV */
 
// 队列句柄（自动生成，在freertos.c中定义，需声明为外部变量）
extern QueueHandle_t Queue_SensorDataHandle;

（2）任务 1：传感器采样并发送到队列（vTaskSensor）

/* USER CODE BEGIN Header_vTaskSensor */
void vTaskSensor(void *argument);
/* USER CODE END Header_vTaskSensor */
void vTaskSensor(void *argument)
{
  for(;;)
  {
    // 1. 模拟传感器采样（温度每次+0.1℃，湿度固定）
    temp += 0.1f;
    if (temp > 30.0f) temp = 25.0f;
 
    // 2. 将温度数据发送到队列（等待时间0，立即返回）
    if (xQueueSend(Queue_SensorDataHandle, &temp, 0) == pdPASS)
    {
      // 发送成功（可选打印调试信息）
    }
    else
    {
      // 队列满，发送失败（可选处理）
    }
 
    // 3. 任务延时100ms（阻塞态，释放CPU给其他任务）
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
  }
}

（3）任务 2：从队列接收数据并串口打印（vTaskUARTPrint）

/* USER CODE BEGIN Header_vTaskUARTPrint */
void vTaskUARTPrint(void *argument);
/* USER CODE END Header_vTaskUARTPrint */
void vTaskUARTPrint(void *argument)
{
  float recv_temp;
  char uart_buf[64];
 
  for(;;)
  {
    // 1. 从队列接收数据（等待时间portMAX_DELAY，无限等待直到有数据）
    if (xQueueReceive(Queue_SensorDataHandle, &recv_temp, portMAX_DELAY) == pdPASS)
    {
      // 2. 格式化并发送到串口
      sprintf(uart_buf, "传感器数据：温度=%.1f℃，湿度=%.1f%%
", recv_temp, humi);
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)uart_buf, strlen(uart_buf), 100);
    }
 
    // 3. 任务延时500ms
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
  }
}

（4）任务 3：翻转 LED（vTaskLEDToggle）

/* USER CODE BEGIN Header_vTaskLEDToggle */
void vTaskLEDToggle(void *argument);
/* USER CODE END Header_vTaskLEDToggle */
void vTaskLEDToggle(void *argument)
{
  for(;;)
  {
    // 翻转LED电平
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
 
    // 任务延时1000ms
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
  }
}

（5）启动调度器（自动生成，无需修改）

CubeIDE 会在
main.c的
main函数中自动添加调度器启动代码：

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_Init();
  MX_FreeRTOS_Init(); // 初始化FreeRTOS（创建任务、队列）
 
  /* Start scheduler */
  osKernelStart(); // 启动任务调度器，从此CPU由调度器管理
 
  /* We should never get here as control is now taken by the scheduler */
  for(;;)
  {
  }
}

4. 烧录验证与现象

烧录程序，打开串口助手（波特率 115200）；观察现象：
LED：每 1 秒翻转一次（任务 3 正常运行）；串口输出：每 500ms 显示一条数据，温度从 25.0℃开始，每次 + 0.1℃，到 30.0℃后重置（任务 1 采样、任务 2 打印正常）；实时性验证：即使任务 2 在串口打印（耗时操作），任务 1 仍能每 100ms 采样（高优先级任务未被阻塞）。

四、FreeRTOS 常见问题与调试技巧

调度器启动后任务不运行？

任务优先级设置错误：确保任务优先级 > 0（FreeRTOS 默认最低优先级为 0，通常设为 1 及以上）；栈大小不足：若任务栈太小（如 256 字节），执行复杂操作（如
sprintf）会导致栈溢出，需增大栈大小（如 512 字节）；未调用
osKernelStart()：调度器需手动启动，CubeIDE 会自动生成，但手动修改时需确认。

队列发送 / 接收失败？

队列未创建：确认
Queue_SensorDataHandle不为 NULL（CubeIDE 自动创建，若手动创建需调用
xQueueCreate）；等待时间过短：
xQueueSend的等待时间设为
pdMS_TO_TICKS(100)，避免队列满时立即失败；数据类型不匹配：队列数据大小需与发送的数据类型一致（如 float 类型对应 4 字节）。

任务切换导致串口数据乱码？

未使用互斥锁：若多个任务同时调用
HAL_UART_Transmit，会导致数据冲突，需添加互斥锁保护：

// 创建互斥锁（CubeIDE图形化界面添加）
extern SemaphoreHandle_t Mutex_UARTHandle;
 
// 串口打印前获取互斥锁
if (xSemaphoreTake(Mutex_UARTHandle, pdMS_TO_TICKS(100)) == pdPASS)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, ...);
  xSemaphoreGive(Mutex_UARTHandle); // 释放互斥锁
}

五、第 17 篇总结与下一篇预告

总结

这一篇我们掌握了 FreeRTOS 的核心：

FreeRTOS 通过任务调度器实现多任务并发，高优先级任务可抢占低优先级任务，确保实时性；基于 STM32CubeIDE 的移植无需手动下载源码，通过图形化界面可快速创建任务、队列；实操中实现了 “传感器采样→数据通信→串口打印→LED 指示” 的三任务并发，验证了 FreeRTOS 的优势。

下一篇预告

FreeRTOS 的任务间同步与通信是复杂系统的核心，仅用队列还不够灵活。第 18 篇我们将深入学习 FreeRTOS 的信号量、互斥锁与事件标志组，通过 “多任务资源共享” 和 “任务间事件通知” 的实操，解决多任务协作中的冲突与同步问题，让你掌握更健壮的 RTOS 编程技巧。