0，freeRTOS基础知识
freeRTOS基础知识
注：本文为正点原子“手把手教你freeRTOS系统”视频的总结文字。
1.裸机与RTOS对比
裸机也称前后台系统，前台系统指的是终端服务函数，后台系统指的是while（1）大循环。
特点：
实时性差，只有一个while（1）进行轮询循环。
delay函数空等待，不能做其他任务。
所有功能都放在一个无限循环函数中。
RTOS（Real Time OS，实时操作系统），对比裸机更强调其实时性，以及CPU资源的使用效率。
特点：
将功能划分为多个任务，每个任务以时间片为最小时间单位，交替运行，宏观上而看作多个任务同步运行。
具有独特的延时函数，不会让函数空等待，而是把CPU资源让出给其他任务使用。
任务分高优先级-低优先级，高优先级任务会抢占低优先级任务。多个任务可以挂载在同一个优先级下。
每个任务都有自己的栈空间，用于保存局部变量和任务上下文信息。
中断不属于软件优先级划分内容，属于硬件中断，可以打断所有优先级的任务。
高优先级的任务不可以一直运行，否则会一直抢占CPU资源，使得低优先级任务无法运行。
2.freeRTOS特点
RTOS有很多，如分别为μClinux、μC/OS-II、eCos、FreeRTOS、mbed OS、RTX、Vxworks、QNX、NuttX，而国产的嵌入式操作系统包括都江堰操作系统(djyos)、Alios Things、Huawei LiteOS、RT-Thread、SylixOS。相对于C／OS-II、 embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为6.0版。作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。
FreeRTOS的不足：
相对于常见的μC／OS—II操作系统，FreeRTOS操作系统既有优点也存在不足。其不足之处， 一方面体现在系统的服务功能上，如FreeRTOS只提供了消息队列和信号量的实现，无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息；另一方 面，FreeRTOS只是一个操作系统内核，需外扩第三方的GUI(图形用户界面)、TCP／IP协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统， 不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等无缝结合。
选择freeRTOS的原因：
免费开源，无需担心商业风险。
核心代码量小，最核心的freeRTOS代码仅有9000行左右，并且支持裁剪。
简单易用，可以移植性好。
支持抢占式、携程式、时间片流转任务调度
3.freeRTOS的任务
3.1任务调度
调度器即使用相关调度算法来决定当前需要执行哪个任务。
| 调度方式 | 适用情况 | 说明 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 抢占式调度 | 优先级不同 | 优先级高的任务抢占优先级低的任务 | 数字大优先级高 |
| 时间片调度 | 优先级相同 | 多个优先级相同的任务同时运行 | 多任务轮询 |
| 协程式调度 | 优先级不同 | 当前执行任务已知运行，但高优先级任务不会抢占低优先级 | 实时性较差 |
注：协程式调度官方已不更新。
抢占式调度：
低优先级切换低高先级（条件）：低优先级任务运行，高优先级任务就绪（非阻塞）就会抢占低优先级的运行。
高优先级切换低优先级（条件）：高优先级任务阻塞状态（系统延时或等待信号量等），切换为低优先级任务（此时优先级次高的任务）运行。
时间片调度：
相同优先级的任务轮流使用CPU时间（时间片），在freeRTOS中一个时间片即SysTick（滴答定时器）中断周期。
如果Task3在运行时突然进入阻塞状态（系统延时或等待信号量等），则直接切换为Task1进行（不论此时Task3时间片进行的时间，全部丢掉，没有用完的时间片不会再使用）。
3.2任务状态
freeRTOS任务的四种状态：
-
运行态：正在执行的任务就处于运行态，对于单核CPU同一时间仅有一个任务处于运行态。
-
就绪态：该任务能够被执行，但当前还未被执行，那么该状态处于就绪态。
-
阻塞态：由于任务延时/等待外部事件发生，那么此任务处于阻塞态。
-
挂起态：类似暂停，调用函数vTasSuspend（）进入挂起态，需要用解挂函数vTasResume（）才可以进入就绪态。
任务的四种状态转换要点： -
仅就绪态可转为运行态。
-
其他状态想运行必须先转变为就绪态。
3.3任务状态列表
- 运行态：运行态无列表。
- 就绪态：就绪列表。pxReadyTasksLists[x]，其中x代表任务优先级数值（0-31，数字大的优先级高）。
- 阻塞态：阻塞列表。pxDelayedTasksLists[x]。
- 挂起态：挂起列表。pxSuspendedTasksLists[x]。
特点：
任务调度器总在就绪列表中移动。
任务想运行，需要将列表转为就绪态，然后根据就序列表从高优先级到低优先级执行。
相同优先级的任务会连接到同一个就绪列表位中。