FreeRTOS学习笔记（更新中）

1. 简介

1.1 RTOS简介

RTOS(实时操作系统)是指一类系统，如 FreeRTOS，uC/OS，RTX，RT-Thread 等，都是 RTOS 类操作系统。

FreeRTOS 由美国的 Richard Barry 于 2003 年发布。

FreeRTOS 于 2017 年被亚马逊收购，改名为 AWS FreeRTOS。

1.2 FreeRTOS优势

FreeRTOS 通过 MIT 开源许可免费分发，包括一个内核和一组不断丰富的 IoT 库，适用于所有行业领域。FreeRTOS 的构建突出可靠性和易用性。

• 开源和免费：FreeRTOS是一款开源的RTOS，采用MIT许可证发布，可以免费使用、修改和分发。

• 轻量级设计：FreeRTOS注重轻量级设计，适用于资源受限的嵌入式系统，不占用过多内存和处理器资源。

• 广泛应用：FreeRTOS在嵌入式领域得到广泛应用，包括工业自动化、医疗设备、消费电子产品、汽车电子等。

• 多平台支持：FreeRTOS的设计注重可移植性，可以轻松地移植到不同的硬件平台，支持多种处理器架构。

• 丰富的功能：提供了多任务调度、任务通信、同步等功能，适用于复杂的嵌入式应用场景。

简单来说：使用人数多，轻量级，开源免费，兼容性强，功能丰富。

2. FreeRTOS基础知识

2.1 多任务处理

使用多任务操作系统可以简化原本复杂的软件应用程序的设计：

• 操作系统的多任务处理和任务间通信功能允许将复杂的应用程序 划分为一组更小且更易于管理的任务。

• 这种划分可以简化软件测试，确保团队分工明确，并促进代码复用。

• 复杂的时序和排序细节将由 RTOS 内核负责，从而减轻了应用程序代码的负担。

简单来说：FreeRTOS可以帮助我们把复杂的项目细分为一小块一小块。

2.2 多任务处理与并发

常规单核处理器一次只能执行一个任务，但多任务操作系统可以快速切换任务， 使所有任务看起来像是同时在执行。下图展示了 三个任务相对于时间的执行模式。任务名称用不同颜色标示，并写在左侧。时间从左向右移动， 彩色线条显示在特定时间执行的任务。上方展示了所感知的并发执行模式， 下方展示了实际的多任务执行模式。

 简单理解：单核就是一个厕所，多核就是多个厕所。如果只有一个厕所，同一个时间只能一个人上厕所。但是想要同时上厕所，通过调度多人快速轮循上厕所看起来像是多人一起上厕所。

2.3 任务调度

由上可知想要看起来像多人上厕所，就需要一个管理人员负责调度，所以任务调度器就出现了。

调度器负责决定在任何特定时间哪个人去上厕所。

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：

• 抢占式调度：FreeRTOS采用抢占式调度方式，允许更高优先级的任务在任何时刻抢占正在执行的低优先级任务。这确保了高优先级任务能够及时响应，并提高了系统的实时性。

• 时间片轮询：在相同优先级的任务之间，FreeRTOS采用时间片轮转策略。每个任务执行一个时间片，如果有其他同优先级的任务等待执行，则切换到下一个任务。这有助于公平地分配CPU时间。

但是并不是说高优先级的任务会一直执行，导致低优先级的任务无法得到执行。如果高优先级任务等待某个资源（延时或等待信号量等）而无法执行，调度器会选择执行其他就绪的高优先级的任务。

简单理解：坐飞机的话分为vip通道和普通通道，你是vip说明你优先级高，你可以先上飞机。这就是抢占式调度。时间片轮训类似A,B,C三个人同时想上厕所（优先级相同），A先去拉一会(拉一个时间片)然后出出来，B再去拉一会(拉一个时间片)然后出出来，C再去拉一会(拉一个时间片)然后出出来，然后一直循环

2.4 任务状态

FreeRTOS中任务共存在4种状态：

• 运行态：当任务实际执行时，它被称为处于运行状态。如果运行 RTOS 的处理器只有一个内核， 那么在任何给定时间内都只能有一个任务处于运行状态。注意在STM32中，同一时间仅一个任务处于运行态。

• 就绪态：准备就绪任务指那些能够执行（它们不处于阻塞或挂起状态）， 但目前没有执行的任务， 因为同等或更高优先级的不同任务已经处于运行状态。

• 阻塞态：如果任务当前正在等待延时或外部事件，则该任务被认为处于阻塞状态。

• 挂起态：类似暂停，调用函数 vTaskSuspend() 进入挂起态，需要调用解挂函数vTaskResume()才可以进入就绪态。

只有就绪态可转变成运行态，其他状态的任务想运行，必须先转变成就绪态。转换关系如下：

这四种状态中，除了运行态，其他三种任务状态的任务都有其对应的任务状态列表：

• 就绪列表：pxReadyTasksLists[x]，其中x代表任务优先级数值。

• 阻塞列表：pxDelayedTaskList。

• 挂起列表：xSuspendedTaskList。

  每种状态都维护了一个列表List（其实用的链表）：
        就绪态是特殊的：
            ① 维护一个32bit的变量，对应优先级有任务，对应的bit位置1，方便查找；
            ② 每一个优先级，都单独维护了一个列表（链表），相同优先级的任务在同一个列表中

代码实现：如果想使用状态机实现一个音乐播放器

 char status = 'C';switch (status)case 'A' :播放处理；if(暂停按键) status = 'B';if(停止按键) status = 'C';case 'B' : 暂停处理；if（停止按键） status='C';if（播放按键） status='A';case 'C' ： 停止处理；if(播放按键) status = 'A'；