1. 概述

1.1 实验目的        

        本实验通过使用 STM32CubeMX 工具对 FreeRTOS 进行可视化移植，并基于 STM32F103ZET6 开发板实现多任务 LED 不同频率闪烁，以及通过重定向打印任务运行状态和运行时长。旨在掌握嵌入式实时操作系统的移植与任务调度机制。通过本实验，不仅加深了对 STM32 硬件架构与 HAL 库的理解，也提升了在多任务并行与系统资源管理方面的实践能力。该实验为今后在嵌入式系统开发、物联网设备控制及实时系统设计等工作中打下了坚实的基础。

1.2 硬件准备

        本实验所使用的硬件平台为一块 STM32F103ZET6 最小系统开发板，该开发板基于 ARM Cortex-M3 内核，主频 72MHz，性能稳定、资源丰富，适合进行 FreeRTOS 的移植与多任务调度实验。板载集成了两个用户可控的 LED 灯，分别连接至 GPIO 引脚，可用于任务状态的可视化显示与实验验证。

        程序下载与调试使用 J-Link V8 仿真器，其具备高速稳定的调试性能，能够实现对目标芯片的实时在线烧录与断点调试。同时，本实验也支持使用 ST-Link 仿真器 进行程序下载。若更换为 ST-Link，仅需在 Keil MDK 工程中修改 Debug 配置部分，STM32CubeMX 的外设及 FreeRTOS 配置保持完全一致，无需任何改动。

        通过上述硬件环境的搭建，能够为后续的 FreeRTOS 任务创建、调度测试以及多任务 LED 控制实验提供良好的基础和可靠的运行平台。

2 实验原理

2.1 任务介绍

2.1.1 LED任务

本实验一共有两个LED任务，在任务中进行了引脚不同频率的反转，使用系统延时对任务进行一定时间的阻塞，从而降低闪烁频率达到肉眼可见

2.1.2 monitor任务

本任务分别调用了freeRTOS提供的两个函数，通过串口打印任务的信息。

2.2 任务状态表

2.2.1 状态表信息

Task Name	State	Priority	Stack	Task Num
monitor_task	X	8	48	3
IDLE	R	0	118	7
led1_task	B	8	102	2
led0_task	B	8	102	1

2.2.2 字段说明

列名	含义
Task Name	任务名称，对应在 osThreadNew() 时设置的名字
State	当前任务状态：R=Ready（就绪中），B=Blocked（阻塞/延时等待），S=Suspended（挂起/未运行）X = 运行中（Running）
Prio	任务优先级（数值越大优先级越高）
Stack	任务剩余栈空间（单位：字节），0 表示栈已满，需要注意
Num	任务编号，由 FreeRTOS 内核分配，用于内部识别

2.2.3 获取方法

状态表获取比较容易，只需要在STM32CUBEMX中配置开启监控，然后直接在任务中调用vTaskList 函数即可

2.3 任务运行时统计表

2.3.1 表信息

Task Name	RunTime (ticks)	CPU Usage (%)
monitor_task	6,243,617	5%
IDLE	57,807,583	55%
led0_task	1,887	<1%
led1_task	6,137	<1%

2.3.2 获取方法

任务运行时统计表获取稍显复杂，主要有如下几个步骤：

步骤1：配置溢出中断定时器作为统计时基，根据所需精度，推荐中断周期为10us

步骤2：在STM32CUBEMX中启动监控任务配置

步骤3：实现弱函数代码，并在定时中断中完成自定义变量的自加

步骤4：监控任务中调用vTaskGetRunTimeStats获取数据

3 STM32CubeMX配置

3.1 系统配置

与之前裸机开发不同，这里时基选择TIM2，选择其他通用定时器也可以。

3.2 配置时钟源

3.3 串口打印设置

3.3.1 设置串口参数

3.3.2 添加串口DMA通道

3.3.3 启动串口中断

3.4 LED引脚设置

通用推挽输出，默认高电平

3.5 freeRTOS设置

3.5.1 关闭NEWLIB

USE_NEWLIB_REENTRANT 选项 只适用于 GCC 编译器（如 STM32CubeIDE、ARM GCC 工具链）。
在 Keil MDK 环境下必须保持 Disable（关闭）。

3.5.2 调试信息配置

功能	CubeMX 选项	作用
任务状态统计	Use Trace Facility	必须 Enable，支持 vTaskList()
任务信息格式化	Use Stats Formatting Functions	必须 Enable，支持 vTaskList() 和 vTaskGetRunTimeStats()
运行时间统计	Generate Run Time Stats	Enable，支持 vTaskGetRunTimeStats()

3.5.3 添加任务

        在 FreeRTOS 中，每个任务在创建时都需要分配独立的堆栈空间，用于保存函数调用现场、局部变量以及中断返回信息等。

        默认情况下，任务最小堆栈大小为 128 个字（word），由于 STM32 的字长为 4 字节，因此对应的最小堆栈空间为：

128 （word）×4 （bytes/word）=512 （bytes）

        对于结构简单、逻辑较少的任务（如 LED 闪烁任务），512 字节的堆栈通常足够使用；
但对于 复杂任务（如包含 printf 调试输出、浮点运算或大量局部变量），该堆栈空间往往不足，可能导致任务运行异常或系统崩溃。

        因此，在任务创建时应根据任务功能 适当调大堆栈大小，通常建议按照 2 的指数级（128、256、512、1024 等） 逐步调整和验证。在 FreeRTOS 中，vTaskList() 显示的 堆栈剩余大小 的单位是 “字”（Word），不是字节。以下是任务建议堆栈值：

任务类型	建议堆栈（Word）	实际字节（Byte）	说明
简单 LED 闪烁	128	512	几乎不使用局部变量和函数调用
按键扫描 / 状态检测	128～256	512～1024	少量逻辑判断
通信任务（UART/USART）	256～512	1～2 KB	含字符串、缓冲区等
监控任务（vTaskList + printf）	512～1024	2～4 KB	printf 占栈大，注意溢出
LCD 显示任务	512～1024	2～4 KB	含字符串解析、绘制函数等
复杂逻辑（JSON、算法）	≥1024	≥4 KB	深层函数调用多
主任务（初始化/调度）	512～2048	2～8 KB	初始化内存、日志打印多

3.5.4 总堆内存设置

        所有任务的堆栈空间最终都来自于系统总堆内存（configTOTAL_HEAP_SIZE），
因此应保证 所有任务的堆栈大小之和小于总堆内存大小。总堆内存设置建议如下表所示：

芯片型号	SRAM 容量	推荐总堆内存比例	推荐堆内存大小（Bytes）	适用场景与说明
STM32F103C8T6	20 KB	10% ~ 20%	2 KB ~ 4 KB	适合 2~3 个简单任务（如 LED 闪烁、按键扫描等）
STM32F103ZET6	64 KB	20% ~ 40%	8 KB ~ 24 KB	适合中型多任务系统（如监控任务、通信任务、UI 任务等）
STM32F407VET6	192 KB	30% ~ 50%	60 KB ~ 96 KB	适合复杂嵌入式系统（带网络协议栈或文件系统）
STM32H743ZI	1 MB	30% ~ 60%	300 KB ~ 600 KB	适合大型实时系统（多线程 + 网络通信 + 显示界面）

否则，任务在创建时可能因内存不足而失败。配置和计算时要特别注意 单位换算（字与字节的区别），以避免因误差导致的内存越界问题。

设置页面如下所示：

3.5.5 运行时间计数器配置

FreeRTOS 运行时间统计只需要一个 单调递增计数器，通过读取计数器值即可计算各任务的 CPU 占用时间。
原则：统计定时器应独立于系统 Tick，否则计数器更新可能影响内核调度精度。

用户自定义一个32位的数值作为任务运行时长计数值，这样就能大大避免了定时器溢出的问题。定时器设置为中断溢出，精度按10us一次中断，每次中断然自定义的变量加一，然后用这个变量作为任务计数值。

3.6 project设置

4 keil MDK配置

4.1 下载调试配置

4.2 串口打印配置

5. VSCode

5.1 printf 重定向

把 printf 重定向到 USART 实现串口日志输出

5.1.1 在usart.c中添加代码

/* USER CODE BEGIN 1 */
int fputc(int ch, FILE * file){ //打印重定�?
  HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,1000);
  return ch;
}
/* USER CODE END 1 */

5.1.2 在对应usart.h中添加引用

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

5.2 任务日志打印

5.2.1 实现弱函数

在freertos.c中对宏定义的函数进行弱函数定义

extern uint32_t runtimeCounter; 
/* Hook prototypes */
void configureTimerForRunTimeStats(void);
unsigned long getRunTimeCounterValue(void);

/* USER CODE BEGIN 1 */
/* Functions needed when configGENERATE_RUN_TIME_STATS is on */
__weak void configureTimerForRunTimeStats(void)
{
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim7);
}

__weak unsigned long getRunTimeCounterValue(void)
{
    return runtimeCounter;
}
/* USER CODE END 1 */

5.2.2 计数器自加

其中获取计数值的用户自定义变量需要在定时器中断中进行自加

uint32_t runtimeCounter = 0; 
void TIM7_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN TIM7_IRQn 0 */

  /* USER CODE END TIM7_IRQn 0 */
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim7);
  /* USER CODE BEGIN TIM7_IRQn 1 */
  runtimeCounter++;
  /* USER CODE END TIM7_IRQn 1 */
}

5.2.3 完善monitor任务

/* USER CODE BEGIN Header_monitor_task_handler */
/**
* @brief Function implementing the monitor_task thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_monitor_task_handler */
void monitor_task_handler(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN monitor_task_handler */
  char taskListBuf[128];
  char runTimeStatsBuf[128];

  /* Infinite loop: 每秒打印一次系统状态 */
  for(;;)
  {
    printf("\r\n========== FreeRTOS Monitor ==========\r\n");

    // 1️⃣ 打印任务列表（任务名称、状态、优先级、剩余栈空间、任务编号）
    vTaskList(taskListBuf);
    printf("Task Name   State  Prio  Stack  Num\r\n%s\r\n", taskListBuf);

    // 2️⃣ 打印 CPU 占用率和运行时间统计
    vTaskGetRunTimeStats(runTimeStatsBuf);
    printf("Task          RunTime      CPU Usage(%%)\r\n%s\r\n", runTimeStatsBuf);

    // 3️⃣ 打印系统启动时间（毫秒 / 秒）
    printf("System uptime: %lu ms (%lu s)\r\n", osKernelGetTickCount(), osKernelGetTickCount()/1000);

    printf("======================================\r\n");

    osDelay(1000); // 延时 1 秒，循环刷新状态
  }
  /* USER CODE END monitor_task_handler */
}

5.3 led任务完善

/* USER CODE BEGIN Header_led0_task_handler */
/**
  * @brief  Function implementing the led0_task thread.
  * @param  argument: Not used
  * @retval None
  */
/* USER CODE END Header_led0_task_handler */
void led0_task_handler(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN led0_task_handler */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);
    osDelay(1000);
  }
  /* USER CODE END led0_task_handler */
}

/* USER CODE BEGIN Header_led1_task_handler */
/**
* @brief Function implementing the led1_task thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_led1_task_handler */
void led1_task_handler(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN led1_task_handler */
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);
    osDelay(300);
  }
  /* USER CODE END led1_task_handler */
}

6. 注意点

6.1 打印日志

6.2 监控时长

在当前实现中，使用的定时器为 16 位（最大计数 65535），预分频 7199，因此计数器在运行约 6.5 秒 后就会溢出，导致 CPU 占用率统计出现错误。

6.3 监控任务堆栈

任务越多，变量就应该越大，否则打印任务列表有截断，或者无法打印日志

char taskListBuf[128];
char runTimeStatsBuf[128];

这个变量调大后，同步的任务堆栈也要调大，否则程序运行异常，我试了下，最大可以调节到256，之后再大程序就无法正常运行了，可能和STM32F103ZET6的硬件最大SRAM有关。