RTOS 基礎概念

想象一下，你是一個忙碌的廚師，在廚房里同時要完成煎牛排和煮意大利面兩項任務。

1.傳統(tǒng)單線程模式（沒有RTOS）

如果你只能按順序一項一項地做，就會是這樣的過程：

• 先煎一會兒牛排
• 然后去看看意大利面煮得怎么樣
• 再回來煎牛排

如果煎牛排的過程比較復雜，需要頻繁翻面和控制火候，那么意大利面就可能會煮過頭。反之，如果一直盯著意大利面，牛排就可能煎糊了。這種方式就類似于傳統(tǒng)的單片機開發(fā)，沒有使用操作系統(tǒng)，任務之間相互影響，效率較低。

用代碼來表示就是：

2.使用 RTOS 的多任務模式

當引入 RTOS 后，就可以 “同時” 進行多項任務。你可以這樣安排：

• 啟動一個 “煎牛排任務”，讓它自己在那里煎著
• 同時啟動一個 “煮意大利面任務”，讓它也自己煮著
• 你只需要在適當?shù)臅r候去查看一下每個任務的進度，比如每隔一會兒去給牛排翻個面，或者看看意大利面有沒有煮好

這樣，牛排和意大利面都能在合適的時間完成，而且不會相互干擾。這就是 RTOS 的基本概念，它可以讓單片機同時處理多個任務，提高系統(tǒng)的效率和實時性。

RTOS 的全稱是 Real-time operating system，即實時操作系統(tǒng)。與我們日常使用的 Windows 等通用操作系統(tǒng)不同，RTOS 更注重實時性，能夠確保任務在規(guī)定的時間內完成。例如，在一個工業(yè)控制系統(tǒng)中，如果某個傳感器的數(shù)據(jù)采集任務不能及時完成，可能會導致整個系統(tǒng)的失控。

下面是一個簡單的 RTOS 程序示例，用 C 語言編寫：

在這個示例中，我們創(chuàng)建了兩個任務：Task_FrySteak 和 Task_CookPasta。每個任務都有自己的獨立運行邏輯，通過 vTaskDelay 函數(shù)來控制任務的執(zhí)行時間間隔。xTaskCreate 函數(shù)用于創(chuàng)建任務，vTaskStartScheduler 函數(shù)用于啟動任務調度器，開始調度各個任務的執(zhí)行。

FreeRTOS 簡介

為什么選擇 FreeRTOS

在眾多的 RTOS 中，F(xiàn)reeRTOS 是一個非常受歡迎的選擇，它有以下幾方面優(yōu)點：

• 開源免費：FreeRTOS 是開源的，任何人都可以免費使用和修改，這對于降低開發(fā)成本非常有幫助。
• 輕量級：它的內核非常小巧，占用的資源很少，適合在資源有限的單片機上運行。
• 實時性好：FreeRTOS 提供了高效的任務調度算法，能夠確保任務在規(guī)定的時間內完成，滿足實時性要求。
• 易于使用：FreeRTOS 提供了豐富的 API 函數(shù)，易于學習和使用。同時，它還支持多種硬件平臺，包括 ARM、RISC-V 等常見的架構。

FreeRTOS 的架構

FreeRTOS 的架構可以分為以下幾個層次：

1.硬件抽象層（HAL）

這一層負責與硬件進行交互，包括處理器、內存、外設等。它提供了一些基本的函數(shù)，如中斷處理、時鐘管理等，使得 FreeRTOS 能夠在不同的硬件平臺上運行。

2.內核層

這是 FreeRTOS 的核心部分，包括任務調度器、內存管理、信號量、互斥量等組件。任務調度器負責決定哪個任務應該在當前時刻運行，內存管理組件負責分配和釋放內存，信號量和互斥量用于任務之間的同步和通信。

3.應用層

這一層是用戶編寫的應用程序，包括各種任務和函數(shù)。用戶可以根據(jù)自己的需求創(chuàng)建和管理任務，使用 FreeRTOS 提供的 API 函數(shù)來實現(xiàn)各種功能。

FreeRTOS 內核組件詳解

1.堆內存管理

FreeRTOS 提供了多種堆內存管理方案，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇合適的方案。常見的堆內存管理方案包括：

• 簡單分配器：這種方案簡單易用，但內存利用率較低，可能會產(chǎn)生內存碎片。
• 最佳適配分配器：這種方案能夠更好地利用內存，減少內存碎片的產(chǎn)生，但實現(xiàn)相對復雜一些。

2.任務管理

任務是 FreeRTOS 中最基本的執(zhí)行單元。FreeRTOS 支持多任務，每個任務都有自己的優(yōu)先級和堆?？臻g。任務可以處于以下幾種狀態(tài)之一：

• 運行態(tài)：當前正在執(zhí)行的任務。
• 就緒態(tài)：任務已經(jīng)準備好運行，但由于其他任務正在運行，暫時無法執(zhí)行。
• 阻塞態(tài)：任務因為等待某個事件（如信號量、消息隊列等）而暫停執(zhí)行。
• 掛起態(tài)：任務被掛起，暫時不會被調度執(zhí)行。

3.隊列管理

隊列是 FreeRTOS 中用于任務之間通信的重要機制。任務可以通過隊列發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和傳遞。隊列具有以下特點：

• 先進先出（FIFO）：數(shù)據(jù)按照發(fā)送的順序依次被接收。
• 支持中斷安全：可以在中斷服務程序中安全地使用隊列。

4.軟件定時器

軟件定時器是 FreeRTOS 提供的一種定時機制，它可以在指定的時間間隔后觸發(fā)一個回調函數(shù)。軟件定時器可以用于實現(xiàn)一些周期性的任務，如數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)控等。

5.中斷管理

中斷是單片機中非常重要的機制，它可以讓 CPU 及時響應外部事件。FreeRTOS 提供了對中斷的支持，用戶可以在中斷服務程序中調用 FreeRTOS 的 API 函數(shù)，實現(xiàn)任務的切換和通信。

6.臨界區(qū)

臨界區(qū)是指一段代碼，在這段代碼執(zhí)行期間，不允許其他任務或中斷打斷。FreeRTOS 提供了進入和退出臨界區(qū)的函數(shù)，用戶可以在需要保護的代碼段前后調用這些函數(shù)，確保代碼的原子性。

7.互斥量

互斥量是一種用于保護共享資源的機制，它可以確保在同一時刻只有一個任務能夠訪問共享資源。FreeRTOS 提供了互斥量的實現(xiàn)，用戶可以通過獲取和釋放互斥量來控制對共享資源的訪問。

8.守門任務

守門任務是一種特殊的任務，它可以用于控制對某些資源的訪問。只有當守門任務允許時，其他任務才能訪問這些資源。

9.事件組

事件組是一種用于任務之間同步的機制，它可以讓一個任務等待多個事件的發(fā)生。任務可以通過設置和清除事件組中的事件來通知其他任務。

10.任務通知

任務通知是一種輕量級的任務間通信機制，它可以讓一個任務向另一個任務發(fā)送通知。任務通知可以用于實現(xiàn)一些簡單的任務間同步和通信。

FreeRTOS 實驗部分

為了幫助讀者更好地理解和掌握 FreeRTOS 的使用方法，我們的課程提供了豐富的實驗內容。實驗部分采用了兩種不同的開發(fā)板：華清遠見STM32F103 和 STM32F407，并分別使用了 MDK-ARM 和 STM32CubeIDE 兩種集成開發(fā)環(huán)境。

在實驗中，我們將逐步引導初學者完成以下內容：

使用 STM32CubeMX 配置 FreeRTOS：通過圖形化界面快速配置 FreeRTOS 的各項參數(shù)，生成初始化代碼。

創(chuàng)建和管理任務：學習如何創(chuàng)建、啟動、停止和刪除任務，以及如何設置任務的優(yōu)先級和堆棧大小。

使用隊列和信號量進行任務間通信：了解如何通過隊列和信號量實現(xiàn)任務之間的數(shù)據(jù)傳遞和同步。

使用軟件定時器和中斷：掌握軟件定時器和中斷的使用方法，實現(xiàn)周期性任務和外部事件的響應。

內存管理和性能優(yōu)化：學習如何優(yōu)化內存使用，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

通過這些實驗，讓初學者深入了解 FreeRTOS 的工作原理和使用方法，掌握如何在實際項目中應用 FreeRTOS 來開發(fā)高效、穩(wěn)定的實時系統(tǒng)。

總之FreeRTOS 是一款功能強大、易于使用的實時操作系統(tǒng)，它為單片機開發(fā)提供了豐富的功能和高效的任務管理機制。通過學習 FreeRTOS，讀者可以掌握實時系統(tǒng)的開發(fā)方法，提高自己的編程能力和解決實際問題的能力。

在我們的《嵌入式體系課：STM32全棧工程師實戰(zhàn)課》里有專門的FreeRTOS課程（如下圖紅框），課程全面覆蓋FreeRTOS基礎與使用、任務創(chuàng)建方法、任務參數(shù)使用、任務的優(yōu)先級、相對延時函數(shù)、隊列、定時器等，通過理論講解、案例分析和實驗操作相結合的方式，幫助用戶深入理解 FreeRTOS 的架構和應用。無論你是初學者還是有一定經(jīng)驗的開發(fā)者，都能從課程中獲得有益的知識和技能，為自己的嵌入式學習奠定堅實的基礎。

這部分課程不單賣，可以直接購買嵌入式VIP/SVIP會員（按月/半年），就可以看上面紅框內容的教學視頻。當然如果您想學習更多嵌入式領域的知識點，比如GPIO控制器、串口控制器、LVGL、原理圖與PCB設計等，或實戰(zhàn)嵌入式體系課的綜合項目，購買嵌入式會員都可以在會員有效期內觀看。