【FreeRTOS（一）】FreeRTOS新手入门——初识FreeRTOS

一、实时操作系统概述

1、概念

RTOS：根据各个任务的要求，进行资源（包括存储器、外设等）管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。每个任务都有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。

2、RTOS的必要性

• 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性
• 提高了开发效率、缩短了开发周期
• 嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力

但是实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，2~5%的CPU额外负荷，以及内核的费用。

3、RTOS与裸机的区别

①裸机开发
类似于我们学校里玩的51单片机、STM32都是跑在main函数中，里面会有一个超级大的while（1）循环，这里面几乎包含整个项目的所有业务逻辑，然后每个逻辑里面都会有delay这样的等待函数，这样就会导致所有的业务逻辑都是串行起来工作的。然后进行轮询一件件事，事情一件件按顺序来，同一时间只能做一件事情。类似于下图这种。

②如何改进呢？
把这每件事情，都对应一个任务，降低耦合度，一个任务对应一个硬件，这种通过抢占任务优先级，来高效的实现任务的切换。

4、FreeRTOS的特点

• FreeRTOS的内核支持抢占式和时间片调度
• 提供了一个用于低功耗的Tickless模式
• 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。
• FreeRTOS-MPU支持Corex-M系列中的MPU单元，比如STM32F429.
• 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
• 高可移植性，代码主要C语言编写。
• 高效的软件定时器
• 强大的跟踪执行功能。
• 堆栈溢出检测功能。
• 任务数量不限。
• 任务优先级（0~63）不限。

二、FreeRTOS的架构

• 一个任务管理一个硬件
• 任务与任务或任务与中断涉及到数据传输使用消息队列
• 任务件共享资源访问使用互斥锁
• 任务的同步使用信号量
• 标志位的管理使用事件标志组
• 编写一个专门初始化硬件的任务，该任务可以包含创建任务的功能。

三、FreeRTOS的代码架构

• croutine.c/croutine.h：协程，在8位/16位平台下效率比较高，在32位平台建议使用任务Task。
• event_group.c/event_group.h：这个是事件组的实现。
• heap_x.c：内核堆实现，FreeRTOS提供了heap_1.c~heap_5.c，5种堆管理器，各有优缺点，需要根据应用进行选择。这一块我会在另一篇博客详细讲解。
• list.c/list.h：链表实现，主要为调度器提供数据结构算法支持服务。比如任务链表。
• port.c/portmacro.h：硬件相关层级可移植抽象，主要包括SysTick中断，上下文切换，中断管理，具体实现很大程度上取决于平台（单片机体系硬件内核和编译器工具集）。通常以汇编语言实现。
• queue.c/queue.h/semphr.h：信号量、互斥体实现。
• tasks.c/task.h：任务管理器实现。
• timers.c/timers.h：软件定时器实现。
• FreeRTOS.h：编译配置文件，用于汇总所有源文件的编译选择控制。
• FreeRTOSConfig.h：FreeRTOS内核配置，Tick时钟和irq中断配置。