FreeRTOS从入门到精通 第一章（初识FreeRTOS）

参考教程：【正点原子】手把手教你学FreeRTOS实时系统_哔哩哔哩_bilibili

一、概述

1、裸机

（1）裸机又称为前后台系统，前台系统指的中断服务函数，后台系统指的大循环，即应用程序。

（2）裸机的特点：

①实时性很差，应用程序得依次执行。

②容易出现空等待的情况，浪费CPU资源。

③结构臃肿，所有功能的代码放在一个主循环中。

2、RTOS

（1）RTOS的全称为Real Time Operation System，即实时操作系统。

（2）常用的RTOS有国外的FreeRTOS、μC/OS、RTX和国内的RT-Thread、Huawei LiteOS和AliOS-Things等，它们有一定的相似性，只要学会其中一个，其它的实时操作系统也能很快上手，这里主要以FreeRTOS展开介绍。

（3）RTOS的特点：

①分而治之，复杂的功能可以划分为多个任务。

②有任务调度机制，增加CPU资源的利用率。

③高优先级任务可以抢占低优先级任务（任务可以同等优先级）。

④每个任务都有自己的栈空间，当任务被打断时，栈空间将保存断点的数据，当任务继续执行时从断点继续开始。

⑤为防止高优先级任务长时间占用CPU，可以令其阻塞，让出CPU资源。

二、FreeRTOS简介

1、FreeRTOS的主要特点

（1）FreeRTOS的内核支持抢占式、合作式和时间片调度。

（2）系统的组件在创建时可以选择动态或者静态的RAM，比如任务、消息队列、信号量、软件定时器等等。

（3）提供了一个用于低功耗的Tickless模式（在任务空闲时，关闭其外设时钟）。

（4）FreeRTOS-MPU支持Corex-M系列中的MPU单元，如STM32F407。

（5）FreeRTOS系统简单、小巧、易用，通常情况下内核占用4k-9k字节的空间，主要用C语言进行代码的编写，具有很高的可移植性。

（6）任务数量不限（不考虑硬件的情况下），任务优先级不限（不考虑硬件的情况下）。

（7）支持实时任务和协程（即co-routines，也有称为合作式、协同程序）。

（8）任务与任务、任务与中断之间可以使用任务通知、消息队列、二值信号量、数值型信号量、递归互斥信号量和互斥信号量进行通信和同步。

（9）具有堆栈溢出检测功能。

（10）具有高效的软件定时器。

2、FreeRTOS的编程风格

（1）数据类型重定义（在FreeRTOSConfig.h文件中可查看）：

（2）变量名：

①char型变量的变量名前缀是c，short型变量的变量名前缀是s，long型变量的变量名前缀是l，以此类推；portBASE_TYPE 类型变量的变量名前缀是x，还有其它的数据类型，比如数据结构、任务句柄、队列句柄等定义的变量名前缀也是x。

②如果一个变量是无符号型的，那么其变量名会有一个前缀u；如果一个变量是指针变量，那么其变量名会有一个前缀p。因此，当我们定义一个无符号的char型变量的时候会加一个uc前缀，当定义一个char型的指针变量的时候会加一个pc前缀。

（3）函数名：

①如果是私有的函数，则其函数名会加一个前缀prv（private）。

②很多函数的函数名中有其定义所在文件的文件名及返回值类型，如：

[1]vTaskPrioritySet()函数的返回值为void型（前缀v），在task.c这个文件中定义。

[2]xQueueReceive()函数的返回值为portBASE TYPE型（前缀x），在queue.c这个文件中定义。

[3]vSemaphoreCreateBinary()函数的返回值为void型（前缀v），在semphr.h这文件中定义。

（4）宏的名称一般是由小写前缀和大写主体构成，其中小写前缀就是宏定义所在头文件的文件名。

        除了上表列出的宏定义以外，FreeRTOS中还有如下通用的宏定义。

3、操作系统知识与FreeRTOS的关联

（1）FreeRTOS一共支持三种任务调度方式：

①抢占式调度：主要是针对优先级不同的任务，每个任务都有一个优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。

        创建三个任务——Task1、Task2、Task3，Task1、Task2、Task3的优先级分别为1、2、3（在FreeRTOS中任务设置的数值越大，优先级越高，所以TASK3的优先级最高）

        运行过程如下：

                首先Task1在运行中，在这个过程中Task2就绪了，在抢占式调度器的作用下Task2会抢占Task1的运行，Task1进入就绪态

                Task2运行过程中，Task3就绪了，在抢占式调度器的作用下Task3会抢占Task2的运行，Task2进入就绪态

                Task3运行过程中，Task3自我阻塞了（依靠系统延时或等待信号量等），此时就绪态中优先级最高的任务Task2执行

                Task3的阻塞解除后（延时到了或者接收到信号量）便恢复到就绪态中，抢占TasK2的运行，Task2进入就绪态

②时间片调度：主要针对优先级相同的任务，当多个任务的优先级相同时，任务调度器会在每一次系统时钟节拍到的时候切换任务；同等优先级任务轮流地享有相同的CPU时间（可设置），叫时间片，在FreeRTOS中，一个时间片就等于SysTick（滴答定时器）中断周期。

        创建三个任务——Task1、Task2、Task3，Task1、Task2、Task3的优先级均为1

        运行过程如下：

                首先Task1运行完一个时间片后，切换至Task2运行

                Task2运行完一个时间片后，切换至Task3运行

                Task3运行过程中自我阻塞了（如果还不到一个时间片，没有用完的时间片不会再使用），此时直接切换到下一个任务Task1运行

                Task1运行完一个时间片后，切换至Task2运行

③协程式调度：当前执行任务将会一直运行，同时高优先级的任务不会抢占低优先级任务。（了解即可）

（2）FreeRTOS中任务共存在4种状态：

①运行态：正在执行的任务处于运行态，在STM32中，同一时间仅一个任务处于运行态。

②就绪态：如果该任务已经能够被执行，但当前还未被执行，那么该任务处于就绪态。

③阻塞态：如果一个任务因延时或等待外部事件发生，那么这个任务就处于阻塞态。

④挂起态：类似暂停状态，调用函数vTaskSuspend()可使任务进入挂起态，需要调用解挂函数vTaskResume()任务才可以进入就绪态。

（3）运行态、就绪态、阻塞态、挂起态这四种状态中，除了运行态，其它三种任务状态的任务都有其对应的任务状态列表，如下图所示，其中就绪列表为每个优先级都建立了一个子列表，相同优先级的任务会连接在同一个就绪列表上，调度器总是在所有处于就绪列表的任务中，选择具有最高优先级的任务来执行。