FreeRTOS笔记（一）概念

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01 - 说在前面

  嵌入式系统经常在无人值守、环境恶劣和时间限制等等的条件下运行，如果条件偏向于时间限制，就需要嵌入式系统具有实时机制，嵌入式实时操作系统的设计就显得非常重要。
  现有的嵌入式实时操作系统很多，有FreeRTOS、RT-Threads、uC/OS-II等等，大多数都是开源的，但开源不代表免费，对于学习而言，建议uC/OS-II或者FreeRTOS，不过uC/OS-II开源但不免费，而FreeRTOS开源又免费，所以小白欣然选择了FreeRTOS进行学习。

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02 - FreeRTOS思维导图（点击文字下载）

  小白在看完FreeRTOS实时内核使用指南之后，因为本身有操作系统的基础，因此概念能够快速过一遍，然后用Xmind思维导图工具做了FreeRTOS笔记，内容如下：

2.1 任务

  当嵌入式系统只有单核（往往只有单核）的时候，意味任何时候只有一个任务在执行，由于嵌入式系统是多任务系统，于是任务之间存在切换，所以任务之间的交替工作需要调度器的存在。同时由于调度器的存在，任务就存在状态的概念。

【任务】

特点：死循环、不会返回、不会执行到函数末尾，只能被删除或者一直运行

状态：纵观分为运行态和非运行态，其中非运行态分为就绪态、阻塞态和挂起态（小白应该觉得还有一个称为僵尸态）

调度：任务的切换需要调度器的工作，调度器有调度算法去判断当前选择哪一个任务执行，因此任务存在优先级和时间片，优先级越高，任务越快得到执行，时间片越短，任务正常切换的频率越快

【状态转换】

主动行为：状态之间可以进行特定的转换，这一般需要一些事件的发生，状态的转换一般是任务的主动行为。

僵尸态：虽然在书中没有提及，但是如果某个任务被杀死了，那么它应该要留下一些信息（尸体）供系统去查看和回收资源（收尸），比如被谁杀死的，杀死的时候完成了什么工作等等，所以称为僵尸态。

2.2 队列

  既然是多任务系统，那么任务之间必定需要通讯，FreeRTOS的任务通讯都是基于队列进行的（比如信号、信号量、共享内存等等），定义好各种队列就能进行各种通讯。当多个任务共享一个队列的时候，就存在数据安全问题，FreeRTOS根据任务的优先级去进行读写互斥。

2.3 中断

  嵌入式实时系统需要对环境事件进行及时的反应，这种时间上不可预料的事件一般通过中断的方式通知系统。中断概念中的中断服务程序理应是越短越好，例如中断只发出一个信号，然后唤醒某个任务进行工作。因此FreeRTOS的中断处理都是基于中断延迟处理。

【延迟中断处理】

二值信号量：深度=1的队列，可以令任务阻塞在等待队列中，中断到来后给队列添加资源，让阻塞任务得以解除，然后执行对应工作

计数信号量：深度>1的队列，解决二值信号只能锁存一个中断的缺点

2.4 资源管理

  嵌入式实时系统一般有很多外部资源，比如DMA、显示屏、音频通道、UART等等，而且一般为不可共享资源，这些资源的访问必须互斥进行。FreeRTOS采用4种方法实现互斥。

【互斥机制】

临界区：仅仅把所有中断关掉，任务和中断都不能打断

挂起调度器：临界区非常苛刻，挂起调度器可以被中断打断

互斥量：互斥量在P请求之后必须自己V归还

守护任务：某个资源被某个任务守护，只有这个任务才能访问资源，其它任务必须间接通过守护任务访问

2.5 内存管理

  每当任务、队列或者信号量被创建的时候，内核就需要进行动态内存分配，因此嵌入式实时系统必定有内存管理
  但是在小型嵌入式系统中，通常是在调度器运行之前就创建好任务、队列和信号量了，表明动态内存分配只出现在真正的实时任务之前，而且一旦分配就不会释放，意味着动态内容分配不需要考虑太过复杂的情况。
  FreeRTOS提供了几种内存管理范例，也可以自己实现自己的内存管理。

【Sv9.0.0版本的范例】

Heap_1.c：实现了一个最基本的 pvPortMalloc()版本，内存抽象为数组，下一个任务的内存分配地址紧接着上一个任务，而且没有实现vPortFree()

Heap_2.c：在Heap_1上修改，使用最佳匹配算法实现了一个基于空闲内存块的pvPortMalloc()版本，实现了vPortFree()

Heap_3.c：调用了stdlib库的malloc()和free()，挂起调度器使得线程安全

Heap_4.c：在Heap_2的基础上修改，在释放内存的时候并相邻空闲的内存块。

Heap_5.c：在Heap_4的基础上修改，添加了分配不相邻内存的算法

03 - 总结

• 任务是FreeRTOS的基本执行单位，任务具有状态之分
• 任务直接的通讯介质都是基于队列实现的
• FreeRTOS的中断处理都是基于延迟中断处理
• FreeRTOS提供了4中资源互斥访问机制
• FreeRTOS提供一些常用的内存分配算法