入门FreeRTOS笔记整理

视频名：视频专辑 - FreeRTOS实时操作系统(十年功力，力求全面，通俗易懂)

https://www.bilibili.com/video/BV18R4y147DB/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=6815e3297898473155e44cdd9339ebe0

非常推荐这套FreeRTOS教程。对新手友好，收获很多。但有部分视频不公开（少数），要收费
这个笔记根据公开的免费视频整理，部分内容还需补充，但不影响知识的获取

视频中未公开章节，章节名后面用***号标注

UP主对源码进行了解析，有助于培养初学者的良好习惯

内含一些小作业
好了，那就开始吧
(¬‿¬)

绪论

第一部分：介绍操作系统、移植操作系统等
第二部分：比较重要，特别是任务管理
第三部分：任务跟任务之间、任务跟中断之间通讯，数据传输问题。操作系统中链表用的非常多，一定要了解。通讯方面的
第四部分：
第五部分：把一些外设结合起来，进行一些系统的应用

RTOS简介

嵌入式操作系统
分时操作系统：按时间片完成，任务之间没有优先级
例如电脑是分时操作系统，FreeRTOS是实时操作系统（弱实时操作系统）

FreeRTOS实时操作系统简介


好处







裸机系统与多任务系统
裸机系统事件在主函数中完成。多任务系统事件在任务中完成，同时，任务有优先级
操作系统编程核心在任务，裸机系统编程核心在主函数

FreeRTOS移植

手动移植FreeRTOS***

STM32cubeMX生成FreeRTOS***

FreeRTOS启动流程

FreeRTOS编码风格

32位和64位设置

FreeRTOS调试方法

理论

查看栈的使用情况，避免栈溢出，栈多了就减一点
运行状态，空闲状态






定时器2，HAL_Delay（）时间基准。现在滴答定时器作为系统定时器调用了，所以需要单独的定时器作为延时

定时器3配置为20kHz，作为系统的计数

任务的配置：
划线部分（从上到下）：任务名称长度（最大32）
配置操作系统内存（默认3k）这里是10k
启用任务状态的功能宏定义

在回调函数里面定义一个变量，让它加1


第一个是初始化函数，系统启用任务调度时，会调用这个函数，把这个数据清0
第二个函数，每隔一段时间获取这个值，这个值在定时器里面计数的。每个任务单独获取，任务启动获取一次，任务结束获取一次，知道任务占用时间，除以总数得到利用率

创建一个任务，定义一个数组保存信息，调用函数就会把信息放到数组里面，只需要打印就行了

现场编程***

系统配置

说明

FreeRTOS.h：如果没有定义，就定义
在FreeRTOSConfig.h中定义

Config宏-内核配置***

Config宏-其他配置***

INCLUDE宏配置***

通过预编译移除未使用的内核组件

任务管理

任务概念与任务状态

理论上对任务数量没有限制。耦合性小。任何时刻，只有一个任务得到运行，因为单片机是单CPU。栈空间：一段连续的内存。任务不会退出，只不过是由调度器调度而已。释放系统资源（栈空间）

因为任务是由调度器调用的，所以有任务状态。就绪态任务在等待CPU（等待调度），因为FreeRTOS是抢占式的，任务是有优先级的。挂起需要手动挂起、手动恢复，阻塞是等待一些标志位

系统启动与空闲任务

函数没有形参，很容易看。下面是标准的启动函数（task.c里面），上面是HAL库的封装


FreeRTOSConfig.h中定义内存空间

任务创建

静态任务、动态任务创建。栈空间，任务控制块（结构体、任务的参数都在里面）


任务函数（任务体）名和任务名（只是个字符串）可以一样，也可以不一样
栈空间太大就浪费，太小就出错，在32里面是4字节。128就是512字节
0是优先级最小的，一般给空闲任务
可以通过任务句柄，操作任务。非常重要。指针的指针，所以需要进行取址



方便创建不同的任务

详解任务句柄***

指向任务控制块的一个结构体指针，可以操作任务

任务删除、挂起、恢复

可裁剪
动态内存：比如一个任务，任务里面又重新申请了内存 （通过内存申请函数），需要手动删除，任务释放只是释放了任务的栈空间

删除任务前，要判断任务存不存在，不存在就不能删除，否则会出错
删除后，设置任务句柄为空，下一次不会再删除

可以多次调用，任务肯定存在。跟删除不一样（还需要判断任务是否存在）





中断与任务的同步：比如在任务里面挂起，在中断里面恢复。按道理会立马执行这个任务（同步了），但在恢复中，如果别的任务优先级更高，就会去执行别的任务（不会执行这个任务），中断与任务之间就不会同步了

比如：外部中断中使用

任务管理编程***

任务调度

调度器

调度算法应用不需要了解。合作式调度很少使用

调度方式

单任务，不是多任务，不能进行任务的抢占
不需要给每个任务分配单独的栈空间，RAM占用空间小。算法简单，ROM占用空间小

这里的多任务是每次只有一个程序在运行，但在反复切换（速度非常快，感觉在同时进行）
CPU永远都在执行高优先级任务

系统默认开启，不要关闭
同优先级任务：如果没有启用时间片调度，那么所有任务的优先级就不能使用同样的优先级了
任务运行时，按时间片来的
时间片可以在配置文件里设置Tick…()（Tick:1000-1ms,100-10ms,20-50ms），一个任务一个时间片
FreeRTOS只能设置的一个Tick，不能设置例如4个Tic。其他操作系统可能可以

抢占式调度编程测试***

时间片调度编程测试

时间片设为20，50ms，任务是10ms，可以执行5次
写错了。不能阻塞10ms，应该正常延时10ms
可以在配置文件中，用宏定义禁止时间片调度

任务栈大小确认***

任务栈溢出检测

栈溢出检测机制在出产品时，可以关掉

任务栈溢出编程测试***

任务与中断优先级、临界保护

中断优先级

NVIC知识回顾



抢占优先级：
响应优先级：


调度器通过SVC中断启动第一个任务
系统服务中断配置为0，优先级最高
PendSV任务挂起中断、Systick滴答定时器中断优先级最低。不会打断任务中断。PendSV用于做任务切换，Systick中断是一个时基中断。中断优先级太高，影响系统实时性


源码里面有临界段代码（非常重要的代码）：并不希望任何中断把它停下来。在执行这段代码前，会关全局中断。结束后，再开启全局中断。这会带来副作用，任务非常重要，任务中断被关闭，系统实时性遭到破坏，比如飞机、有害气体检测
basepri一般配置为5

不受系统临界处理，管理的中断

任务优先级

中断优先级值越小，优先级越高。任务优先级值越小，优先级越低
时间片调度要启用
永远执行优先级最高的任务，因为是抢占系统

必须是阻塞式的原因：如果不阻塞，低优先级得不到执行


IRQ任务，比如：按键中断、串口中断（比如通过MODBUS解析协议）
低优先级的时间片调度任务，这类任务一般设置成一样的（1、 2），让它们时间片运行

开关中断与临界段函数

不允许中断打断的方法：关操作系统可以管理的中断

全局变量被很多任务使用，需要做临界段处理的原因：一个变量一次性只能被一个任务调用，如果被两个任务同时调用就会出问题，这个时候就要保护了







临界区关闭了中断，同时会计数

退出临界区，变量会减1，变量为0，才会开启中断



临界段处理函数必须要成对使用，每进入一次，计数值都会加一。进来几次，退几次

有形参（会保存原来的值，然后恢复原来的值），跟开关中断函数不一样（默认是0）

编程测试临界段处理函数***

调度锁、中断锁、任务锁

调度锁编程测试

不是开挂函数

应用代码：比如对时间要求很高的代码，通过一定的时序采集数据，避免被其他任务打断

使用定时器延时，而不是系统延时

时间管理（系统节拍、延时函数）

延时，比如说，高优先级任务需要延时，延时之后释放CPU
超时，等待一个时间，不能一直等待
任务切换也需要时钟节拍。通常有一定的时间，去检查任务需不需要切换
系统的额外开销：占用CPU的时间

SysTick裸机编程中，当成定时器使用。操作系统中，用作系统节拍
100KHz-10ms,10KHz-100ms，一般是1-100ms之间。如果配置太小，CPU一直在响应中断，开销特别大。配置太大，没办法精确延时。一般用1KHz

释放CPU使用权，也可以采用等待一个事件。时间延迟用的比较多一点
第一个是相对延时，第二个是绝对延时，第三个是获取当前计数值（任务里面），第四个是获取当前计数值（中断里面）

延时多少个Ticks(时钟节拍)，相对调用这一刻的延时


第一个时参。采集任务开始运行的时间赋给它

50s后150s调用这个函数，时间精确，能够实现周期性延时

相对延时和绝对延时的区别与编程测试***

链表

操作系统，任务的数据就是非连续的，可以给所有任务新建一个链表，然后进行排序，就可以进行系统调度了。添加任务是添加任务节点，删除任务是删除任务节点
双向链表更加灵活

单向、双向链表

首尾相连，首就是尾，尾就是首。根节点：不存储数据，链表的生产者，比如记录整个节点的数量。通过一个节点，只能找到下一个节点，不能找到上一个节点。所占内存小一点

离散的数据：比如操作系统中任务、软件定时器、消息队列、信号量

FreeRTOS中链表实现***

链表与节点初始化函数

后面两行用于验证



里面的指针，因为没有节点，指向自己

链表操作函数

排列，比如任务优先级查找最高优先级，非常方便

第一个参数是链表，第二个参数是节点。将节点按升序插入链表

只需要一个形参，需要删除的节点。节点里面已经包含链表，所以不需要链表

链表编程仿真与测试***

消息队列

不固定长度的消息：比如说串口接收、spi接口传输

具有超时机制，比如说用FreeRTOS读数据，如果没有数据，会进行等待（把任务挂起来），一旦有数据，任务就立马去获得这个数据。如果超时，就退出来
有效管理任务，比如任务1发数据，如果消息队列满了，发不了。就会进行任务1挂起操作，等空了，再发送数据。任务2读数据，如果消息队列里面没有数据，任务2挂起，一旦有数据，就会立马获得这个数据
防止多任务访问冲突，比如说任务在读队列（锁定队列），其他任务也要读这个队列（这个任务就读不了，只能等待）。如果使用数组，有可能两个任务同时读写数组，有可能出错
FIFO：默认是FIFO，先进先出
LIFO：后进先出

通过标志位可以判断，读到Pass，没有读到Fail


队列控制块：一个结构体，里面有一些变量，比如：队列的长度、个数、队头、队尾


数据是复制过去的，有些操作系统是传地址。所以中断里面一般不建议搬运太长的数据（中断要快进快出），可以通过一个信号量发送一个标志位，让任务去搬运数据

消息队列常用API函数

第一个是消息队列的动态创建，第二个是消息队列的删除，第三、四个队列的发送（任务、中断），第五个是接收数据（任务里面）
传数据一般是从中断里面发送，用任务来接收

消息队列句柄、创建与删除***

任务中消息队列的发送

复制指定固定长度的数据，比如一个变量只占了四个字节（32位），传10个字节，后面六个地址是连续地址（无效数据）。创建队列长度要合适

太长数据可以分段发送
pdPASS改为pdTRUE

中断中消息队列的发送

中断中发送与任务中发送不一样。中断中发送，没有超时机制，不会等待

如果有高优先级任务准备就绪，立马进行一次任务切换，不等系统调度，提高系统实时性
第三个参数不一样


因为是数组，所以没有取址

任务中消息队列的接收

如果空间小了，比如说5个比特的数据，只有4个比特的空间，第5个比特也会写过来（未定义的地址），随便写数据可能会导致系统故障

消息队列应用编程-任务与任务***

消息队列应用编程-中断与任务***

信号量

信号量是消息队列的一种简化应用

资源管理：比如说机房的电脑管理、文件的管理
信号量本身不是数据，本身只是一个机制

技术信号量改为计数信号量

二值信号量的定义与应用

二值信号量是操作系统的一个资源，可以直接用


消息大小为0，说明本身不能存数据
信号量的实现（创建、发送、获取、释放）都是通过队列的函数实现的


采集一次，刷新一次。更好的发挥CPU性能

二值信号量的运作机制

任务1获取信号量，因为信号量没有，所以进入阻塞。需要任务2发送一个同步信号，任务1才能继续执行


任务1获取信号量，因为信号量没有，所以进入阻塞。串口接收中断，接收数据之后，发送一个信号，任务1（处理串口数据）开始执行

二值信号量的常用API函数

释放和获取需要同步操作
第一个是创建二值信号量。第二、三个是释放二值信号量（任务中、中断中）。第四个是获取二值信号量。第五个是删除二值信号量






没有超时机制的原因：0释放变为1，1不需要释放
不支持递归互斥（用不到）



有两个形参，第二个形参为了提高系统实时性（中断中任务不能切换，所以中断完之后立马切换一下）


第二个形参是超时机制。获取时，可能是无效的，也可能是有效的。如果有效，就会立马同步，如果无效就需要等待（等待多少个Ticks）。如果超时了，就会自动退出来
任务中获取

很少在中断里面获取信号
串口接收一般都是永久等待。可用可不用就不需要永久等待

等待原因：串口数据还没过来
这里只是打印串口信息，也可以通过MODBUS协议控制一些外设

二值信号量同步应用编程（任务与任务）***

二值信号量同步应用编程（中断与任务）***

计数信号量的定义与应用

计数信号量，因为可以计数，所以可以用作资源管理


计数信号量为0时，需要等待

计数信号量的运作机制

中断和应用一般都是同步使用，很少会用计数
共享资源：比如停车位、机房电脑、产品外设
任务1获取资源，如果资源变为0，可以等待，如果超时，自动退出来。如果资源被别的任务释放了，就可以获取资源，继续运行，运行之后，释放资源

计数信号量的常用API函数

一般不删除信号量，除非真的不用了
第一个是创建计数信号量，其他的函数和二值信号量一样


如果初始值定义为0，没信号量可用，必须等待释放。如果定义为N，就可以使用计数信号量
heap大小不足，内存不够


configUSE_COUNTING_SEMAPHORES，默认是0(节约内存)，必须配置为1。后面的那个是动态分配，基本都是1，因为一些任务，还有其他的一些组件都是动态分配的
形参校验 configASSERT

删除的形参应该是句柄，不是void

释放的形参只有句柄，没有超时（要么成功，要么失败）。比如停车场把车开出去，不需要等待。开进来，要等待





第三个形参设为0，不会等待

计数信号量的应用编程详解***

互斥信号量的定义与应用

二值信号量可以用于同步（类似于裸机编程的Flag），可以但不建议临界资源管理（存在优先级反转问题）。互斥信号量可以用于临界资源管理


默认长度是1，资源可用。二值信号量默认可能是0或1

互斥信号量只能用于任务与任务之间


死锁，比如说只是普通的互斥信号量，任务1获取，互斥信号量无效（1->0），任务1再次获取（用完互斥信号量没有释放），就会等待（任务挂起），信号量发生死锁（信号量本身是无效的，别的任务用不了，任务永久等待），出现问题
获取一次，释放一次

优先级翻转详解

如果使用互斥信号量，优先级继承机制：当任务1等待任务3的时候，会临时把任务3的优先级抬高到任务1的优先级。低优先级任务继承高优先级任务。这样一来，任务3执行的时候，任务2就不能打断任务3了，任务3执行完之后，优先级会恢复。任务1开始执行（任务1只要等待任务3执行完成，不用等待任务2），然后再执行任务2

优先级翻转编程测试***

优先级翻转的串口打印详解***

互斥信号量的运作机制

因为会抬高任务优先级，所以中断中是无效的，只能用于任务中

互斥信号量的常用API函数

释放是不会等待的


获取需要等待，第二个形参为0就是不等待，这里是永远等待

互斥信号量的应用编程***

事件

事件的概念与应用

如果要用到数据传输，可以用队列
信号量只能实现一对一的同步，任务可以一对多（比如裸机编程中的if语句）
比如按键标志、串口接收都可以看作事件

事件的运作机制

事件的常用API函数

删除事件组一般很少用，除非不用了
第一个是动态创建事件组，一般很少静态。第三个等待事件组一般在任务中等待，很少在中断中等待











在中断里面调用了这个函数，但不会在中断里面置位这个事件标志组，中断把这个任务交给定时器，在定时器里面进行置位
优先级设置高，退出中断后，立马执行这个任务（置位）。优先级太低，可能被别的任务抢占，影响同步功能

事件的编程应用-任务与任务***

事件的编程应用-中断与任务***

软件定时器

软件定时器的概念

软件定时器在任务中执行回调函数，上下文是任务。硬件定时器通过中断实现




很重要，所有软件定时器都是通过定时器守护任务管理

软件定时器的应用

对时间精度要求不高的任务：比如说间隔1s或者一定时间采集传感器，WiFi数据模块定时传数据


1000-1s中执行1000次，1ms

定时器的应用是在回调函数中完成一些功能
回调函数：作为参数传递（函数指针），函数的形参是函数指针，通过函数指针调用的这个函数，叫做回调函数
回调函数方便是因为操作系统写好之后，函数指针已经定义好了，函数可以自己命名之后，把函数地址赋给指针，就可以调用它，非常方便移植。如果没有回调函数，就不能自己创建函数了，不灵活

回调函数的调用
通过定时器的句柄可以识别到ID号，以辨别是哪个定时器的回调函数
通过句柄间接调用自己创建的函数

软件定时器通过任务来执行，如果优先级很低，定时器精度会受到影响

守护任务需要间隔一定的时间，检查有没有任务被定时到。还要去接收队列的指令
如果上面一个函数挂起，那就意味着下面那个函数就不执行了，会影响实时性
回调函数要跟中断一样，快进快出，不要长时间的停留

软件定时器的常用API函数

删除软件定时器不一定，如果用完了，可以释放资源。获取ID可要可不要

这里的定时器的创建是动态创建（一般都是）
启动可以在任务中启动，也可以在系统启动之前启动（中断中启动，用的很少）
中断中停止，用的很少



操作定时器通过句柄来实现，所以要先了解一下它的句柄
方便调试，打印的时候，可以把定时器的名称打印出来
所有定时器在链表里面进行排序，守护任务在链表里面读取信息
单次模式，运行一次就会自动删除
通过ID号识别是哪个定时器。通过名字（字符串）来识别，比较麻烦




ID号是指针，所以要取址，再把指针转换一下




不会立即执行的原因，执行是在守护任务里执行的，如果调度器还没开始调度，尽管发送队列成功了，但守护任务还没有执行





返回时指针

软件定时器的应用编程***

任务通知

不用的话，可以配置为0，每次创建任务时，可以减少5个字节的RAM


前面两个可以当作队列来使用，
只能一对一
通知不会等待，没有超时机制

任务通知的运行机制

比如说有个任务等待通知，如果没有通知就阻塞了，如果别的任务或中断向这个任务发通知，它就会被唤醒。如果别的任务没有发通知，它也会超时退出来
跟其他通信机制一致，可以在一定程度上替代

任务通知的常用API函数

任务通知值，别的任务或者中断可以发通知改变这个值

任务中的通知状态一般又三种。第一种是默认状态。没有等待通知。第二种是任务正在等待通知。第三种，如果一个任务向另一个任务发送通知，另一个任务表示已经接收到通知
状态的切换：比如说第一次发送通知给任务，发送完之后，任务的状态就会变成已经接收。再次发送，还是处于接收的状态。如果任务开始获取通知，现在没有通知值，就会进入阻塞（等待中），如果接收到通知了，处理完之后，又会变成没有在等待了。三个状态里面不断切换。






pdTRUE当作二值信号量使用，pdFALSE当作计数信号量使用





第一个参数，仅仅改变任务通知的状态，不会改变任务通知值
不懂的，可以适当看一看源码
返回值应该是返回pdFAIL



第三个参数保存通知值（获得），可以通过这个参数来回传通知值
可以节约5个字节，不是8个字节

任务通知代替二值信号量的应用编程

任务通知代替计数信号量的应用编程***

任务通知代替消息队列的应用编程***

任务通知代替事件组的应用编程***

综合应用1与代码讲解

LED：只是指示作用，所以优先级最低，代表系统正在运行状态
KEY：事件组的触发
Display：数码管的显示，软件定时器在函数里面发送任务通知，来刷新这个数据
Event_Sync：事件同步的任务
Modbus：单片机通过空闲中断+DMA功能产生一个中断，通过二值信号量同步过去，进行一个协议解析。二值信号量的同步应用
Queue_Receive：队列接收，Modbus收到的数据通过队列发送给任务，这个任务再把16进制数据转换成ASCII码，打印出来
操作系统就是管理任务的，任务就是用来管理裸机代码的，从而实现想要的功能
计数信号量和互斥信号量没用，在单片机中用的很少

动态内存管理

动态内存，内存可以申请，可以释放


内存碎片：比如说一开始是一百块内存，后面有很多申请释放（大小不一样），会出现很多内存小块（不方便使用，因为太小），造成资源的浪费
内存碎片的回收，通过链表实现，小的内存块通过链表的合并组成大的内存

不连续的内存区，比如单片机内部有SRAM（不够用），外部SRAM，方式五能够把这两个SRAM链接在一起，能够一起使用

动态内存管理的总结与应用

动态内存的编程测试（heap_4和heap_1）

动态内存的编程测试（heap_5）***

独立看门狗检测任务执行

看门狗检测多任务执行思路

监测系统死机（跑飞），由于某种原因：比如恶劣的工业环境
监测任务有没有长时间得到执行，比如低优先级任务长时间得不到执行
一对多。比如可以在一定时间内监测这个事件
如果任务出现挂起和删除，就不检测这个任务

看门狗检测多任务编程***

低功耗Tickless模式

STM32低功耗模式介绍

STM32低功耗的编程***

Tickless模式介绍

不能直接把睡眠模式放在空闲任务的原因，因为Tick是中断，如果直接在空闲任务睡眠，会反复被唤醒，低功耗不是最优的
Tick时钟不能关断，不然就没法执行一些堵塞任务。比如定时任务需要中断唤醒

Tickless模式源码分析

Tickless模式编程测试***

综合应用2

间隔1s一般是用软件定时器，再通过二值信号量同步
第二点可以用二值信号量，也可以用任务通知做同步，中断里面给同步信号，任务里面处理串口数据
第三点是第二点通过队列传输数据
数码管显示，可以通过二值信号量同步显示

综合应用3