MyRTOS

2025年08月28日 16

项目Gitee地址 * my-rtos-demo

一个基于 Cortex-M4 的多任务调度系统基本实现。参考 FreeRTOS 和 ChatGPT. 结构很简单, 一个头文件一个源文件, 适合作为个人学习过程中理解多任务调度的参考。

功能

解决了优先级反转问题.
多任务调度：支持基于优先级的抢占调度以及同优先级时间片轮转，确保高优先级任务及时执行。
可重入互斥锁（Recursive Mutex）：支持递归锁和普通互斥锁，解决共享资源访问冲突.
任务延时与定时器：
- 基于 SysTick 的任务延时机制
- 周期性和一次性定时器支持
- 可触发任务或回调函数
任务通知机制：轻量级事件通知，任务可等待或接收通知以触发执行，支持中断唤醒。
消息队列（Queue）：支持多任务间通信，队列长度和数据类型可自定义，阻塞与非阻塞接收模式。
动态内存管理：内存池实现，支持任务栈、消息队列等动态资源分配，避免碎片化。
任务管理：
- 动态创建和删除任务
- 获取任务状态与优先级
- 支持空闲任务与系统心跳
中断与调度集成：
- 支持外部中断唤醒任务
- PendSV 上下文切换，保证任务切换安全高效
系统可调试性：
- 支持 HardFault 基础调试输出
- 调试串口输出示例
轻量简洁：源码结构简单，仅一个头文件和一个源文件，方便学习和定制。

目录结构

MyRTOS/ ├── assets/ # 示例资源文件，如图片、日志 ├── Firmware/ # 硬件抽象层与外设库 │ ├── CMSIS/ # Cortex-M4 核心相关头文件与源码 │ ├── GD32F4xx_standard_peripheral/ # 标准外设驱动（GPIO、USART、Timer 等） │ └── GD32F4xx_usb_library/ # USB 设备与主机库 ├── Libraries/ # 通用库文件，扩展外设功能 ├── MyRTOS/ # 核心 RTOS 源码 ├── Project/ # Keil工程 │ ├── Listings/ # 汇编/编译列表文件 │ └── Objects/ # 目标文件 └── User/ # 用户应用示例代码

**Firmware：**硬件抽象层和外设库，支持 Cortex-M4 核心及 GD32F4 系列外设。
**Libraries：**通用库文件，提供工具函数或扩展外设功能。
**MyRTOS：**核心 RTOS 源码，包括任务调度、消息队列、互斥锁、定时器等实现。
**Project：**Keil项目文件夹
**User：**用户代码目录，用于具体应用示例。

API 列表

系统核心

void MyRTOS_Init(void) — 初始化系统核心
void Task_StartScheduler(void) — 启动任务调度器
uint64_t MyRTOS_GetTick(void) — 获取当前系统时间 (ticks)

任务管理 (Task Management)

TaskHandle_t Task_Create(void (*func)(void *), uint16_t stack_size, void *param, uint8_t priority) — 创建任务
int Task_Delete(TaskHandle_t task_h) — 删除任务
void Task_Delay(uint32_t tick) — 任务延时
int Task_Notify(TaskHandle_t task_h) — 通知任务
void Task_Wait(void) — 等待任务通知
TaskState_t Task_GetState(TaskHandle_t task_h) — 获取任务状态
uint8_t Task_GetPriority(TaskHandle_t task_h) — 获取任务优先级
TaskHandle_t Task_GetCurrentTaskHandle(void) — 获取当前任务句柄

消息队列 (Queue Management)

QueueHandle_t Queue_Create(uint32_t length, uint32_t itemSize) — 创建队列
void Queue_Delete(QueueHandle_t delQueue) — 删除队列
int Queue_Send(QueueHandle_t queue, const void *item, uint32_t block_ticks) — 发送数据到队列
int Queue_Receive(QueueHandle_t queue, void *buffer, uint32_t block_ticks) — 从队列接收数据

定时器 (Timer Management)

TimerHandle_t Timer_Create(uint32_t delay, uint32_t period, TimerCallback_t callback, void* arg) — 创建定时器
int Timer_Start(TimerHandle_t timer) — 启动定时器
int Timer_Stop(TimerHandle_t timer) — 停止定时器
int Timer_Delete(TimerHandle_t timer) — 删除定时器

互斥锁 (Mutex Management)

MutexHandle_t Mutex_Create(void) — 创建互斥锁
void Mutex_Lock(MutexHandle_t mutex) — 获取互斥锁
void Mutex_Unlock(MutexHandle_t mutex) — 释放互斥锁
void Mutex_Lock_Recursive(MutexHandle_t mutex) — 递归获取互斥锁
void Mutex_Unlock_Recursive(MutexHandle_t mutex) — 递归释放互斥锁

时间转换宏

MS_TO_TICKS(ms) — 毫秒转 ticks
TICK_TO_MS(tick) — ticks 转毫秒

核心宏

MY_RTOS_ENTER_CRITICAL(status_var) — 进入临界区
MY_RTOS_EXIT_CRITICAL(status_var) — 退出临界区
MY_RTOS_YIELD() — 任务让出 CPU

快速开始

任务创建与调度

TaskHandle_t task1, task2;

void task1_func(void *param) {
    while (1) {
        printf("任务1运行中 (低优先级)\n");
        Task_Delay(1000);
    }
}

void task2_func(void *param) {
    while (1) {
        printf("任务2运行中 (高优先级)\n");
        Task_Delay(2000);
    }
}

void main_func(void) {
    task1 = Task_Create(task1_func, 256, NULL, 1); // 低优先级
    task2 = Task_Create(task2_func, 256, NULL, 3); // 高优先级
    Task_StartScheduler();
}

互斥锁

MutexHandle_t lock;

void task_with_lock(void *param) {
    while (1) {
        Mutex_Lock(lock);
        printf("任务获取锁，安全访问共享资源\n");
        Task_Delay(500);
        Mutex_Unlock(lock);
        Task_Delay(500);
    }
}

void sys_init() {
    lock = Mutex_Create();
}

递归锁

MutexHandle_t recursive_lock;

void recursive_task(void *param) {
    while (1) {
        Mutex_Lock_Recursive(recursive_lock);
        printf("第一次加锁\n");
        Mutex_Lock_Recursive(recursive_lock);
        printf("第二次加锁\n");
        Mutex_Unlock_Recursive(recursive_lock);
        Mutex_Unlock_Recursive(recursive_lock);
        Task_Delay(1000);
    }
}

void sys_init() {
    recursive_lock = Mutex_Create();
}

消息队列

typedef struct { int id; } Msg_t;
QueueHandle_t msg_queue;

void producer(void *param) {
    Msg_t msg = {0};
    while (1) {
        msg.id++;
        Queue_Send(msg_queue, &msg, MY_RTOS_MAX_DELAY);
        printf("生产者发送: id=%d\n", msg.id);
        Task_Delay(1000);
    }
}

void consumer(void *param) {
    Msg_t msg;
    while (1) {
        if (Queue_Receive(msg_queue, &msg, MY_RTOS_MAX_DELAY)) {
            printf("消费者接收: id=%d\n", msg.id);
        }
    }
}

void sys_init() {
    msg_queue = Queue_Create(3, sizeof(Msg_t));
}

任务通知

TaskHandle_t t1, t2;

void t1_func(void *param) {
    while (1) {
        printf("任务1等待通知\n");
        Task_Wait();
        printf("任务1收到通知\n");
    }
}

void t2_func(void *param) {
    while (1) {
        Task_Delay(2000);
        printf("任务2发送通知给任务1\n");
        Task_Notify(t1);
    }
}

任务自删除

TaskHandle_t t3;

void t3_func(void *param) {
    printf("任务3启动，立即删除自身\n");
    Task_Delete(t3);
}

定时器触发任务

TimerHandle_t timer;

void timer_cb(TimerHandle_t t) {
    printf("定时器回调触发任务执行\n");
}

void sys_init() {
    timer = Timer_Create(1000, 1000, timer_cb, NULL); // 周期1秒
    Timer_Start(timer);
}

中断唤醒任务

TaskHandle_t irq_task;

void irq_task_func(void *param) {
    while (1) {
        Task_Wait(); // 等待外部事件唤醒
        printf("外部中断唤醒任务执行\n");
    }
}

void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (irq_task != NULL) {
        Task_Notify(irq_task); // 通过通知唤醒任务
    }
}

优先级抢占

TaskHandle_t low, high;

void low_func(void *param) {
    while (1) {
        printf("低优先级任务运行中\n");
        Task_Delay(1000);
    }
}

void high_func(void *param) {
    while (1) {
        Task_Delay(3000);
        printf("高优先级任务抢占执行\n");
    }
}

void main_func(void) {
    low = Task_Create(low_func, 256, NULL, 1); // 低优先级
    high = Task_Create(high_func, 256, NULL, 5); // 高优先级
    Task_StartScheduler();
}

调度机制

MyRTOS 的调度机制核心基于 Cortex-M4 的 SysTick 与 PendSV 中断，实现了优先级抢占与时间片轮转，并支持延时任务、互斥锁和任务通知。

机制说明

**SysTick 中断：**每 1ms 触发一次，用于系统心跳和任务延时计数。
**延时管理：**检查所有延时任务，到期后移入就绪队列（Ready List）。
**调度器 Scheduler：**根据任务优先级选择最高优先级 READY 任务执行，同优先级任务采用时间片轮转。
**PendSV 上下文切换：**保存当前任务的寄存器状态，恢复下一个任务上下文，实现任务切换。
**任务抢占：**高优先级任务可以随时抢占低优先级任务执行，保证实时性。
**任务等待与互斥锁：**任务可能因为等待通知或被互斥锁阻塞而挂起，待条件满足后重新加入就绪队列。
**空闲任务：**当没有 READY 任务时，CPU 执行空闲任务 Idle，通常用于节能或系统监控。

通过以上机制，MyRTOS 可以实现多任务优先级抢占、时间片轮转、延时任务、互斥资源保护和任务通知等功能。

MyRTOS

项目Gitee地址 * my-rtos-demo

功能

目录结构

目录结构

API 列表

系统核心

任务管理 (Task Management)

消息队列 (Queue Management)

定时器 (Timer Management)

互斥锁 (Mutex Management)

时间转换宏

核心宏

快速开始

任务创建与调度

互斥锁

递归锁

消息队列

任务通知

任务自删除

定时器触发任务

中断唤醒任务

优先级抢占

调度机制

机制说明

调度流程

参考 * FreeRTOS * ARM Cortex-M4

作者 * A_XiaoXiu

代码 * my-rtos-demo