RTOS精进（一）：深入FreeRTOS内核

文可道

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原创 2025-06-20 17:26:18 1.5k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

FreeRTOS简介与移植到STM32F103 直接对硬件资源进行编程，将所有的功能函数都放在主循环中，同一时间内只能运行单一任务。裸机系统又称：前台系统即中断服务函数，后台系统即运行的主循环。阅读详情

深入FreeRTOS内核

互斥量、互斥锁，本来的概念确实是：谁上锁就得由谁解锁。** (放到xmind中)**
但是FreeRTOS并没有实现这点，只是要求程序员按照这样的惯例写代码。韦东山freeRTOS系列教程之【第七章】互斥量(mutex)_悦己之作，方能悦人的技术博客_51CTO博客
vTaskStartScheduler调用后，才开始调度
FreeRTOS操作系统支持三种调度方式：抢占式调度（Pre-emptive），时间片调度（time slice , 同优先级任务才会是使用时间片调度）和合作式调度（co-operative，使用合作调度器时，只有在Running状态任务进入Blocked状态，或者Running状态任务通过调用taskYIELD()显式让步（手动请求重新调度）时才会发生任务切换。）。实际应用主要是抢占式调度和时间片调度结合的调度方法，合作式调度用到的很少。
- FreeRTOS 默认使用固定优先级的抢占式调度策略，对同等优先级的任务执行时间片轮询调度：
- 官网文档最权威

学习总结

任务创建

FreeRTOS的任务（其实就是线程）创建，会创建在堆区划分一块空间，这块空间用来放置TCB和任务栈空间，栈空间就是申请的栈大小，这个TCB就是一个结构体，用于记录优先级，运行时间，运行状态等信息。结构体定义如下

/*
 * Task control block.  A task control block (TCB) is allocated for each task,
 * and stores task state information, including a pointer to the task's context
 * (the task's run time environment, including register values)
 */
typedef struct tskTaskControlBlock
{
    /* 栈顶<元素>指针，注意与 pxEndOfStack 的区别。 必须是结构体的第一个成员. */
    volatile StackType_t * pxTopOfStack; 

    /* MPU 模块设置，必须是结构体的第二个成员 */
    #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
        xMPU_SETTINGS xMPUSettings;
    #endif

    ListItem_t xStateListItem;                  /* 列表项指示任务当前的状态 (Ready, Blocked, Suspended ). */
    ListItem_t xEventListItem;                  /* 用于在事件列表中. */
    UBaseType_t uxPriority;                     /* 任务优先级（0为优先级最低）. */
    StackType_t * pxStack;                      /* 栈底指针，指向栈开始处. */
    char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ]; /* 任务名 */

    /* 如果栈向上生长，则定义栈顶指针 */
    #if ( ( portSTACK_GROWTH > 0 ) || ( configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS == 1 ) )
        StackType_t * pxEndOfStack; 
    #endif

    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
        UBaseType_t uxCriticalNesting; /* 保存临界区的栈深度. 在函数vTaskEnterCritical() 和 vTaskExitCritical()中会维护这个值*/
    #endif

    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t uxTCBNumber;  /*TCB的编号，每次增加一个task，TCB的编号就会增加. */
        UBaseType_t uxTaskNumber; /*task的编号，其值和uxTCBNumber相等，可用于调试追踪. */
    #endif

    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
        UBaseType_t uxBasePriority; /*上一次分配给该任务的优先级，用于优先级继承机制. */
        UBaseType_t uxMutexesHeld; /* 持有的信号量 */
    #endif

    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
        TaskHookFunction_t pxTaskTag;
    #endif

    /* 存储一些私有的变量 */
    #if ( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )
        void * pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];
    #endif

    /* task 运行的总时间 */
    #if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        uint32_t ulRunTimeCounter; 
    #endif

    /*  See the third party link http://www.nadler.com/embedded/newlibAndFreeRTOS.html for additional information. */
    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        struct  _reent xNewLib_reent;
    #endif

    /* 任务通知相关变量 */
    #if ( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
        volatile uint32_t ulNotifiedValue[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
        volatile uint8_t ucNotifyState[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    #endif

    /* FreeRTOS.h 中有关于 tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE 的详细注释。主要的作用是决定task创建的资源是动态还是静态分配内存. */
    #if ( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 ) 
        uint8_t ucStaticallyAllocated; /* 标记stack 和 TCB分配方式，在删除任务时，根据此标志来对应释放内存 */
    #endif

    /* delay 终止标志 */
    #if ( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
        uint8_t ucDelayAborted;
    #endif

    /* error number*/
    #if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 )
        int iTaskErrno;
    #endif
} tskTCB;

这里有必要跟linux进行区分下， 在linux中（从 Linux 内核的角度来说，其实它并没有线程的概念。Linux 把所有线程都当做进程来实现，它将线程和进程不加区分的统一到了 task_struct 中。线程仅仅被视为一个与其他进程共享某些资源的进程，而是否共享地址空间几乎是进程和 Linux 中所谓线程的唯一区别）， 另外线程的栈是从进程地址空间mmap一段独有的地址（堆和栈之间有一段空间是用于mmap的）， 另外在每一个进程的生命周期中，必然会通过到系统调用陷入内核。在执行系统调用陷入内核之后，这些内核代码所使用的栈并不是原先进程用户空间中的栈，而是一个单独内核空间的栈，这个称作进程内核栈。进程内核栈在进程创建的时候

内存管理

FreeRtos的堆区分配方法共有4种，第一种，我的理解就是一个数组，从从未分配过的地方开始进行分配，无法被释放，没有内存释放，好处是可确定性，且没有碎片。例子：已经分配 ABC ，如果要分配D，则从C后面分配D，变成ABCD。并且分配后都无法释放，因为没有释放函数

第二种方法，已经被heap4.c取代了， 了解下就好。有释放函数，分配时，从最开始的地址开始找，找到一个空闲块可以容纳就放。例子，一开始ABD，后面B释放了，变为A空格D，这个要分配C， C比B小，则从一开始找，找到了B能放下，则就变为AC（B-C）D 。实现上，就是用一个链表来记录空闲块，一开始链表只有一个（块大小为分配的堆总大小），对于AC（B-C）D ，则变为两个元素的链表， B-C是一个， D后面又是一个。

第三种方法，其实就是调用malloc和free，具体实现由编译器来实现，这里仅仅只是封装了一下malloc和free，并确保线程安全

第四种方法，heap_4.c, 就是在free一块空闲内存时，如果左和右相邻有空闲块，则把空闲块合为一个，方法为将当前空想块插入链表时，查看左边和右边空闲块地址是否相邻，是的话，合并就可以了。

第五种方法， heap_5.c , 用的就是heap4.c的方法，但是支持不相邻的堆区，类似于支持多个堆区

FreeRTOS的调度分为三种，抢占式时间片（就是谁优先级高谁执行，相同优先级则轮流执行），抢占式无时间片（谁优先级高谁执行，相同优先级则谁先谁执行），合作模式（非抢占，高优先级不抢占，等低优先级执行完或者阻塞后再轮到高优先级）

软件定时器

FreeRTOS 通过一个prvTimerTask任务（也叫守护任务Daemon）管理软定时器，它是在启动调度器时自动创建的，为了满足用户定时需求。prvTimerTask任务会在其执行期间检查用户启动的时间周期溢出的定时器，并调用其回调函数。只有设置 FreeRTOSConfig.h 中的宏定义configUSE_TIMERS设置为1 ，将相关代码编译进来，才能正常使用软件定时器相关功能
指定时间到达后要调用回调函数（也称超时函数），用户在回调函数中处理信息，在回调函数中调用任何会阻塞任务的 API 函数
硬件定时器的定时精度与系统时钟的周期有关，一般系统利用SysTick作为软件定时器的基础时钟，系统节拍配置为FreeRTOSConfig.h中的configTICK_RATE_HZ，默认是1000，那么系统的时钟节拍周期就为1ms
FreeRTOS 提供的软件定时器支持单次模式和周期模式