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裸机开发与操作系统

在以往的嵌入式学习中，我们最常用的就是裸机开发，所谓裸机开发就是指在没有操作系统支持的情况下，直接使用裸机硬件的一种开发方式。在裸机开发中，我们往往会定义一个循环，比如while（1）来控制单片机循环内的代码，实现特定的功能；但是这样的方法存在一些问题：单片机始终受困于循环之中，虽说有各种各样的中断，让裸机开发能够应对一些较为复杂的场合，但是单片机始终无法摆脱单任务，简单应用的场合。
而操作系统的出现，则是准确的解决了裸机开发的痛点。最显著的就是让单片机不再局限于单任务，能够同时运行多个任务，处理更为复杂的任务，实现单片机芯片性能的释放。

以上为个人总结的出，操作系统具体介绍看下面：

嵌入式操作系统简介

嵌入式操作系统（Embedded Operating System）是专门设计用于嵌入式系统的操作系统，它通常运行在资源有限、功耗低、特定功能的硬件平台上，如微控制器、传感器节点、嵌入式设备等。与桌面计算机或服务器操作系统不同，嵌入式操作系统需要考虑更多的实时性、稳定性和功耗优化。

嵌入式操作系统的主要特点和功能包括：

• 实时性：对于许多嵌入式应用来说，时间的准确性和响应速度至关重要。因此，嵌入式操作系统通常提供实时调度器，能够确保任务在指定的时间内完成。

• 资源管理：由于嵌入式系统资源有限，嵌入式操作系统需要有效地管理内存、处理器时间、外设等资源。它们提供了资源分配和调度的机制，以便多个任务能够协同工作而不互相干扰。

• 低功耗设计：嵌入式操作系统通常优化了功耗管理，能够有效控制设备在不同运行状态下的能耗，延长电池寿命或者减少能源消耗。

• 实时操作：针对需要处理实时数据流或事件的应用，嵌入式操作系统能够确保及时响应和处理，如控制系统、传感器数据采集等。

• 驱动程序支持：嵌入式操作系统提供了通用的设备驱动程序接口，简化了与硬件的交互，开发者可以通过API调用来访问和控制各种硬件设备。

• 任务调度：多任务管理是嵌入式操作系统的一个重要功能。它能够管理多个任务的优先级、调度顺序以及任务之间的通信和同步。

• 通信支持：许多嵌入式系统需要与外部设备或网络进行通信。嵌入式操作系统提供了通信协议和接口支持，如串口通信、网络协议栈等。

FreeRTOS是嵌入式操作系统的一种，也是我们要学习的内容：

FreeRTOS简介

FreeRTOS（Real-Time Operating System）是一个开源的实时操作系统内核，专为嵌入式系统设计。它提供了轻量级的多任务管理、任务调度、定时器、信号量、消息队列等功能，使得开发者能够在嵌入式设备上轻松实现复杂的应用程序。
主要特点：

1. 开源和免费：FreeRTOS是开源项目，采用MIT许可证，可以免费用于商业和个人项目。这使得开发者可以自由地使用、修改和分发它，同时享受开源社区的支持和贡献。

2. 轻量级和高效：FreeRTOS的内核设计非常精简，占用资源少，适合运行在内存和处理器能力有限的嵌入式设备上。其任务切换速度快，响应时间短，适用于对实时性要求高的应用场景。

3. 多任务管理：FreeRTOS支持多任务管理，可以同时运行多个任务，每个任务有独立的任务优先级。开发者可以利用任务调度器（scheduler）来控制任务执行的顺序和时间片分配，实现复杂的并发控制和协同工作。

4. 实时调度器：内置的实时调度器确保任务能按照优先级和预定时间执行，满足实时数据处理和响应的需求。这使得FreeRTOS特别适合需要及时处理事件或数据的应用，如工业控制、汽车电子等领域。

5. 资源管理：FreeRTOS提供了丰富的资源管理功能，包括内存管理、任务间通信（如信号量、消息队列、邮箱等）、定时器和事件控制等。这些功能能够有效地管理和分配设备的有限资源，提高系统的效率和稳定性。

6. 可移植性：FreeRTOS支持多种架构和开发板，如ARM、AVR、PIC等，以及多种编译器，如GCC、Keil、IAR等。这种广泛的支持使得开发者可以轻松在不同硬件平台上移植和使用FreeRTOS。

7. 社区支持和生态系统：FreeRTOS拥有活跃的开发社区和生态系统，提供了丰富的文档、示例代码和技术支持。开发者可以通过社区获取技术支持、交流经验，加速开发过程。

总结下来就是：免费开源、简单好用、可移植性高、可裁剪、轻量级、使用广泛。

FreeRTOS的几个重要概念

任务调度器

调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的哪个任务，FreeRTOS 一共支持三种任务调度方式：

• 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。

1. 高优先级任务，优先执行。
2. 高优先级任务不停止（或者说是阻塞：任务内部在延时或者等待系统信号量等操作叫阻塞），低优先级任务无法执行。
3. 被抢占的任务会进入就绪状态。

• 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。

1. 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 中断周期
2. 同等优先级任务，轮流执行；时间片流转
3. 一个时间片大小，取决为滴答定时器中断周期
4. 当一个任务进入阻塞，但是时间片还没用完时，会直接进入下一个任务，且下一个任务的时间片长短不变。

• 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，FreeRTOS现在虽然还支持，但是官方已经表示不再更新协程式调度，基本上不使用了。

任务状态

在FreeRTOS中任务一共有以下四种状态：

• 运行态：正在执行的任务处于运行态，在STM32中，同一时刻只有一个任务处于运行态，之所以说FreeRTOS能够实现多任务，是因为单片机在很短时间内依次执行多个任务，由于一个时间片间隔很短，导致好像同时在运行多个任务。
• 就绪态：表示该任务已经可以被执行，但是还没轮到它，处于就绪态
• 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
• 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
  

只有就绪态的任务可以变成运行态！！！

状态列表

除了运行态之外，其他状态的任务都有一个任务列表

• 就绪列表：pxReadyTasksLists[x] ，X表示优先级
• 阻塞列表：pxDelayedTaskList
• 挂起列表：xSuspendedTaskList

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 ,当所有任务处于同一个优先级时，会都在同一个就绪列表上