FreeRTOS实时操作系统详解

一、小型操作系统的由来

最开始我们想要每一秒钟去读取一次温度的数据，所以代码如下

while(1)
{
    readTemperature();
    delay_ms(1000);
}

但是此时我们会发现在延时的那一秒钟里面CPU没有并没有干任何事情，死延时很占用CPU资源，后面我们开始用一个定时器计时，时间到了则调用读取温度的数据，这样可以大大提高CPU空闲时间。

while(1)
{
    if(timer==1000)//每个1ms,定时器中断里面timer值都会++
    {
        timer=0;
        readTemperature();
    }
}

随着任务的复杂，代码逻辑的增多，我们在while(1）中写了无数个if语句，这很不利于我们去观看代码，并且逻辑也很复杂，所以出现了任务调度，也就是小型操作系统

二、FreeRTOS任务调度三种方法

在FreeRTOSConfig.h中，可以配置FreeRTOS的任务调度方式

#define configUSE_PREEMPTION         1     //1使用抢占式内核，0使用协程                                                              
#define configUSE_TIME_SLICING       1     //1使能时间片调度(默认式使能的)

FreeRTOS支持的任务调度方法有抢占式、协作式、时间片轮转

协作式调度：一旦一个任务开始执行，它将持续运行，直到它自己放弃 CPU 控制权为止。这通常发生在任务主动调用 task delay（等待时间片到期）、task yield（放弃剩余时间片）、或者进入阻塞状态（等待事件或资源）时。协作式调度简化了任务间共享资源的管理，因为开发者可以确保在没有明确放弃 CPU 控制权的情况下，任务不会被中断。但这种模式要求每个任务都必须定期放弃 CPU 控制权，否则可能导致系统响应性能下降。在FreeRTOS里，是通过taskYIELD()这个函数实现放弃CPU的。一个典型的协作式任务是在while(1){}大循环的最后，调用taskYIELD()去主动放弃CPU；这时其他处于就绪态的最高优先级的任务才可能运行；如果其他任务都不在就绪状态，那么仍然回到taskYIELD()后面继续运行原来的任务。
时间片轮转：让相同优先级的几个任务轮流运行，每个任务运行一个时间片，任务在时间片运行完之后，操作系统自动切换到下一个任务运行；在任务运行的时间片中，也可以提前让出CPU运行权，把它交给下一个任务运行。 FreeRTOS的时间片固定为一个时钟节拍，由configTICK_RATE_HZ这个宏设置，时间片轮转调度功能，由configUSE_TIME_SLICING宏定义（注意：使能时间片轮转调度功能，两个相同优先级的任务哪怕两者都没有释放CPU资源，两个任务都还是会被调用）
抢占式调度：允许操作系统根据优先级来决定哪个任务应当获得 CPU 控制权。当一个高优先级任务变为就绪状态时，系统会中断当前运行的较低优先级任务，把 CPU 控制权交给高优先级任务。这确保了对紧急任务的快速响应。在这种模式下，任务不需要显式放弃 CPU 控制权，因为它们可以随时被更高优先级的任务抢占。

三、任务栈空间大小

FreeRTOS的任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中的heap空间中申请的

在FreeRTOSConfig.h文件中，有一个变量configTOTAL_HEAP_SIZE，它定义的是所有任务栈空间大小的总和。

 #define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 18 * 1024 ) )
//FreeRTOS堆中可用的RAM总量，单位是Bytes

为什么任务栈空间是在是堆中的？因为我们采用的就是动态创建任务的方式。

此时会存在疑问，在启动文件中定义的栈大小在哪里使用了？

启动文件中的Stack_Size EQU 0x800栈大小，它的名字叫做系统栈空间，任务栈不使用这里的栈空间，哪里使用这里的栈空间呢？答案是中断函数和中断嵌套。 Cortex-M3 和 M4 内核具有双堆栈指针，MSP 主堆栈指针和 PSP 进程堆栈指针。在 FreeRTOS 操作系统中，主堆栈指针 MSP 是给系统栈空间使用的，进程堆栈指针 PSP 是给任务栈使用的。也就是说，在 FreeRTOS 任务中，所有栈空间的使用都是通过PSP 指针进行指向的。一旦进入了中断函数以及可能发生的中断嵌套都是用的 MSP 指针。

任务栈：每个任务在创建时，其栈空间是从FreeRTOS的堆（configTOTAL_HEAP_SIZE）中分配的（除非使用静态创建任务方式）。
局部变量：位于各自任务的栈上，因此占用的也是从FreeRTOS堆中分配的任务栈空间。
pvPortMalloc分配的内存：直接占用FreeRTOS堆（configTOTAL_HEAP_SIZE）的空间。
启动文件（如startup_stm32xxxx.s）中定义的Stack_Size（如ARM Cortex-M架构）是为中断栈和主栈（main函数的栈）预留的，这个栈空间在FreeRTOS初始化之前就已经存在，用于系统启动和中断处理。而FreeRTOS运行后，每个任务有自己的栈，这些任务栈是从FreeRTOS的堆中分配的，与启动文件中的Stack_Size无关。

四、空闲任务

当所有任务都被挂起或者阻塞，没有被调用时，此时CPU在执行什么任务了？

当调用函数 vTaskStartScheduler()启动任务调度器的时候此函数就会自动创建空闲任务

configMINIMAL_STACK_SIZE是控制空闲任务（Idle Task）栈空间的核心配置参数，单位是字

空闲任务的核心作用：

CPU资源回收 当所有高优先级任务阻塞时，系统自动运行空闲任务（优先级为0）

钩子函数执行平台 支持用户自定义vApplicationIdleHook()，用于低功耗模式、内存清理等后台操作

内存释放触发点 若删除任务，其占用的栈和TCB内存会在空闲任务中被回收

就绪任务链维护 管理任务状态链表，确保调度器高效运行

五、任务栈空间分配的地址在哪里

我们知道单片机有Flash和Ram两块内存区域，其中Flash掉电保存，而RAM掉电不保存，Flash主要存储代码，只读变量和已经初始化的变量，而RAM就主要存储已经初始化的变量、没有初始化的变量和初始化为0的变量，但讲了上述的这些，我们还是会疑惑，比如，启动文件中栈空间的大小又存放在哪里了？

下图大致讲解RAM的分配情况

六、malloc申请的空间存放在哪里

七、如何确认任务大小

xPortGetFreeHeapSize()  
//获取调用堆中空闲内存的大小，以Byte为单位 （heap_3 方案不能使用这个API）

xPortGetMinimumEverFreeHeapSize()  
整个FreeRTOS堆的内存池历史最小剩余量，单位字节

uxTaskGetStackHighWaterMark()  
printf(" the min free stack size is %d words
",(int32_t)uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL));  
前提：在FreertosConfig.h中把 INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark 配置为1
作用：单个任务从创造至今栈空间的最小剩余量，单位：字（Words）

通过上面函数得到任务所需栈空间的大小后，然后将任务大小设置为正常情况下的1.5倍即可

八、任务间通信方式

在linux里面，我们知道进程的通信方式由管道，命名管道，消息队列，信号，信号量，共享内存

在FreeRTOS里面，任务间的通信方式有队列、信号量、互斥量、事件标志、共享内存、任务通知、软件定时器和全局变量，而他们的使用场景和作用分别是什么了

首先我们要明确，任务是一个线程还是一个进程？

其次，线程间会存在以下问题，他们之间如何进行通信，他们之间同时操作同一个变量可以吗？

虽然上面涉及到任务间的通信方式有很多种，但我们都清楚，实际上我们写代码时可能一种都不混用上或者只用常见的一些，下面来进行介绍

线程间通信：

（1）二值信号量（A任务释放资源，B任务等待A任务释放资源后运行，常用场合：一个任务等待某个标志位的完成）

（2）任务通知（实质是一个32位的无符号整数，作用相当于二值信号量，但是他的优点更多，比如不需要提前创建，相当于创建了32个二值信号量）

常见场景，CAN接收中断接收到数据，此时任务通知任务处理数据

（3）消息队列，常见场景，CAN接收中断接收到数据，放入到消息队列中，此时任务获取消息队列中的数据进行处理

（注意：消息队列比自定义队列的一个好处是，实时性更高，CPU资源利用更加合理）

（4）事件组（可以实现多任务间的同步）

常见场景，一个任务需要等待多个事件发生；多个任务之间需要保证正确的执行顺序；

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THE END