FreeRTOS 学习 W1D1 + W1D2: 创建STM32F407 FreeRTOS项目并跑通第一个测试程序

Day 1：环境搭建与工程创建

1.1 CubeMX 配置清单

新建工程，选择 STM32F407VET6，逐项配置：

配置项	设置	备注
RCC → HSE	Crystal/Ceramic Resonator	外部 8MHz 晶振
SYS → Debug	Serial Wire	必须选，否则只能烧录一次
SYS → Timebase Source	TIM6	把 SysTick 留给 FreeRTOS
Clock → HCLK	168 MHz	输入 168 回车，自动配 PLL
USART1	Asynchronous, 115200	PA9/PA10 默认
GPIO	PA6 = Output	选择一个 LED信号输出引脚
FREERTOS → Interface	CMSIS_V2	V2 API 更完整
FREERTOS → Heap	heap_4	通用，支持动态分配释放
FREERTOS → Total Heap	20480 (20KB)	F407 有 192KB SRAM，充裕
Project Manager	Toolchain = STM32CubeIDE	在Cube上开发

Project Manager 额外勾选：

Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files
Keep User Code when re-generating

1.2 代码生成失败排查

点击 Project → Generate Code 时，如果窗口闪一下消失、代码没生成，检查：

先按 Ctrl+S 保存 .ioc 文件（最常见原因）
工程路径不能有中文或空格
编码问题：右键工程 → Properties → Resource → Text file encoding → 改为 UTF-8
固件包缺失：如果提示 “necessary firmware package is missing”，需要下载 STM32CubeF4 固件包。可以离线从 ST 官网下载 zip，解压到 C:\Users\xxx\STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_F4_V1.28.3

1.3 验证硬件

生成代码后，先在 main.c 的 while(1) 里加裸机测试：

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HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
HAL_Delay(500);

编译烧录，确认 LED 闪烁。然后删掉这两行，准备上 FreeRTOS。

Day 2：第一个 FreeRTOS 多任务程序

2.1 核心代码

在 freertos.c 的三个 USER CODE 区域添加代码：

① Includes 区域：

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#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include <string.h>

② Variables 区域：

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static void _task_a_handler(void *argument);
static void _task_b_handler(void *argument);
static osThreadId_t _task_a_id = NULL;
static osThreadId_t _task_b_id = NULL;

③ Init 区域（MX_FREERTOS_Init 函数内）：

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const osThreadAttr_t attr_a = {
    .name = "task_a",
    .priority = osPriorityNormal,
    .stack_size = 512 * 4  // 512 words = 2048 bytes
};
const osThreadAttr_t attr_b = {
    .name = "task_b",
    .priority = osPriorityNormal,
    .stack_size = 512 * 4
};

_task_a_id = osThreadNew(_task_a_handler, NULL, &attr_a);
_task_b_id = osThreadNew(_task_b_handler, NULL, &attr_b);

if (_task_a_id == NULL || _task_b_id == NULL) {
    Error_Handler();
}

④ Application 区域（文件最底部）：

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static void _task_a_handler(void *argument)
{
    (void)argument;
    for (;;) {
        const char msg[] = "TaskA: Running\r\n";
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)msg, strlen(msg), 100);
        osDelay(500);  // 500 ticks = 500ms
    }
}

static void _task_b_handler(void *argument)
{
    (void)argument;
    for (;;) {
        HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
        osDelay(1000);
    }
}

2.2 确认 main.c 代码

确认 CubeMX 生成的 main.c 里已经包含了初始化调用代码，否则 FreeRTOS 将不会启动。一般来说，生成代码时是会自己生成好初始化代码的，如下：

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int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_FREERTOS_Init();
    osKernelStart();        // 启动调度器，这行之后不会返回

    while (1) { }
}

同时 main.c 要包含头文件：

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#include "gpio.h"
#include "usart.h"
#include "freertos.h"
#include "cmsis_os.h"

2.3 学习概念

2.3.1 芯片启动后， main() 里发生了什么？

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int main(void)
{
    HAL_Init();                    // ① 复位外设、初始化HAL
    SystemClock_Config();          // ② 配置168MHz时钟
    MX_GPIO_Init();                // ③ 初始化PA6为输出（LED）
    MX_USART1_UART_Init();         // ④ 初始化串口115200
    
    MX_FREERTOS_Init();            // ⑤ 创建任务（关键！）
    osKernelStart();               // ⑥ 启动调度器（关键！）
    
    while (1) { }                  // ⑦ 永远不会执行到这里
}

osKernelStart() 启动调度器后，调度器通过抢占式优先级调度管理 CPU。任何时刻，它只执行就绪态中优先级最高的任务。同优先级任务之间采用时间片轮转。

2.3.2 什么是“任务”？

任务本质上就是一个无限循环的C函数，但比普通函数多一个概念：它会堵塞。

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static void _task_a_handler(void *argument)
{
    (void)argument;    // 消除编译器警告：参数不用
    
    for (;;) {         // 无限循环，任务永不退出
        // 执行任务
        HAL_UART_Transmit(...);
        
        // 阻塞自己，让出CPU
        osDelay(500);  // 关键代码，没有它，其他任务将永远不会执行到
    }
}

为什么 osDelay() 是关键代码？

因为FreeRTOS是 抢占式调度 。调度器只看一件事：当前哪个就绪任务的优先级最高。但如果最高优先级的任务目前在 osDelay(), 那它就会变成“阻塞态”(Blocked)，调度器就会跳过它，去找下一个就绪的高优先级任务。

FreeRTOS默认开启 Time Slicing（时间片轮转），同优先级之间，调度器默认每个tick（默认1ms）会强制切换一次，不能论任务是否主动阻塞。

如果没有osDelay，那么任务永远处于“运行态”或者“就绪态”，调度器每次检查它时它都在就绪，CPU被它独占了，那其它任务将永远没有出头之日了，这就是饿死(Starvation)。

2.3.3 任务状态

任务一共有五个状态，分别是就绪，运行，阻塞，挂起和删除。

状态	英文	定义	怎么进入	怎么退出
就绪	Ready	可以运行，等调度器选我	创建、阻塞到期、挂起恢复	被调度器选中执行
运行	Running	正在 CPU 上执行	调度器选中	被抢占（回就绪）、主动阻塞、被挂起
阻塞	Blocked	我在等某件事（时间/事件）	`osDelay()`、信号量等待、队列接收	延时到期、事件到达
挂起	Suspended	我被外部强制暂停了	`osThreadSuspend()`	`osThreadResume()`
删除	Deleted	我死了，等空闲任务收尸	`vTaskDelete()`	空闲任务清理内存后彻底消失

2.3.3 创建任务时，那些参数是什么意思？

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const osThreadAttr_t attr_a = {
	.name = "task_a",                // 调试时看到的名字
	.priority = osPriorityNormal,    // 优先级，数字越大优先级越高
	.stack_size = 512 * 4            // 栈大小
}

栈大小为什么是 512 * 4 ？

FreeRTOS 中，栈的单位是 word(字) ， ARM Cortex-M 是 32 位架构， 1 word = 4 bytes。所以 512 * 4 也就是 512 个字， 2048个字节。这个栈是任务的私有栈，保存着：

局部变量
函数调用时的返回地址
中断发生时自动保存的寄存器如果栈设的太小，任务里函数调用层太深，或者局部函数太大，就会发生栈溢出，触发HardFault。

2.3.4 优先级数值（FreeRTOS 内部）

CMSIS-RTOS V2 封装了一层，但底层 FreeRTOS 的优先级是数字：

osPriorityIdle = 1
osPriorityLow = 8
osPriorityBelowNormal = 16
osPriorityNormal = 24
osPriorityAboveNormal = 32
osPriorityHigh = 40
osPriorityRealtime = 48
osPriorityError = 错误

数字越大，优先级越高。osPriorityAboveNormal (32) > osPriorityNormal (24)，所以调度器优先执行 AboveNormal 的任务。

2.4 调试器配置

我用的国产 J-Link OB Mini，CubeIDE 默认的 GDB 配置会报 localhost:2331 超时。

排查步骤：

确认接线：J-Link CLK→板子 SWCLK，DIO→SWDIO，GND→GND，3.3V→3.3V。（后面发现就是接线问题…我买的板子丝印有点问题）
设备管理器确认识别到 J-Link 设备
安装 SEGGER J-Link Software Pack
用 J-Link Commander 测试连接：connect → STM32F407VE → SWD → 4000
如果报 Failed to initialize DAP，尝试降速到 speed 100

下载方式：

方式一：J-Flash 直接下载 hex
方式二：CubeIDE Run Configurations 里调试探头选 SEGGER J-LINK，手动启动 J-Link GDB Server 后再点 Debug

2.5 验证现象

烧录后：

串口助手（115200-8-1-N）每 500ms 收到 TaskA: Running
LED（PA6）以 1Hz 频率闪烁
两个现象同时出现，说明调度器正常工作了