【FreeRTOS】FreeRTOS学习笔记 ---- 堆和栈，第1个FreeRTOS程序，创建任务函数及任务管理

作者：阿润菜菜

---

---

一、通过故事介绍FreeRTOS

假如你是一位母亲是不是会经常遇到这样的情况：你要一边给小孩喂饭，一边加班跟同事微信交流，但是你无法一心多用，只能不停地切换注意力，导致效率低下，还容易出错？

如果你是一个软件开发者，你可能会想：有没有什么办法可以让我像电脑一样，可以同时运行多个任务，而不影响彼此的执行呢？

答案是：有！那就是使用操作系统（OS）。

操作系统是一种软件，它可以管理和调度多个程序或者任务（task）的运行，让它们看起来像是同时执行一样。操作系统可以根据任务的优先级、时间片、事件等因素来决定哪个任务应该先运行，哪个任务应该后运行，或者哪个任务应该暂停或者继续运行。

操作系统有很多种类，例如我们常用的Windows、Linux、Mac OS等，它们被称为通用操作系统（general-purpose OS），因为它们可以运行在各种类型的计算机上，并且支持各种类型的应用程序。

但是在一些专用的电子设备中，例如电梯、汽车、飞机、医疗仪器等，通用操作系统就不太适合了。因为这些设备通常使用的是微控制器（microcontroller）或者小型微处理器（microprocessor），它们的内存和处理能力都很有限。而且这些设备对于实时性（real-time）有很高的要求，也就是说它们必须在规定的时间内完成指定的任务，否则就会造成严重的后果。

例如，在电梯系统中，你按住开门键时如果没有即刻反应，即使只是慢个1秒，也会夹住人。

为了满足这些设备的需求，就出现了一种特殊的操作系统：实时操作系统（real-time operating system，RTOS）。RTOS是一种为实时应用设计的操作系统，它可以在有限的资源下保证任务的及时响应和正确执行。

今天我们要介绍的就是一种开源的、免费的、广泛使用的RTOS：FreeRTOS。

1.什么是FreeRTOS？

FreeRTOS是一个实时操作系统内核（kernel），它可以在多种微控制器和处理器上运行，提供了丰富的任务调度、同步、通信、内存管理等功能。FreeRTOS是开源的，可以免费使用，也可以根据需要进行修改和定制。

那FreeRTOS和Linux的区别是什么？

1.FreeRTOS中没有进程和线程的区分：
FreeRTOS中的任务（Task）和线程（Thread）是相同的概念，每个任务就是一个线程，有着自己的一个程序函数。FreeRTOS可以创建、删除、挂起、恢复、优先级设置等多个任务，任务之间可以通过任务调度器根据优先级进行切换。

2.FreeRTOS和Linux都是操作系统，但是有很多区别，主要有以下几点：

• FreeRTOS是一个实时操作系统（RTOS），它要求快速地处理任务，保证实时性和可靠性。Linux是一个通用操作系统（GPOS），它要求提供丰富的功能和服务，保证用户体验和兼容性。
• FreeRTOS是一个迷你的操作系统内核，只包含了基本的功能，如任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理等。Linux是一个完整的操作系统，包含了内核和用户空间，有很多组件和模块，如文件系统、网络协议栈、设备驱动、图形界面、shell等。
• FreeRTOS可以在资源有限的微控制器中运行，占用的内存和存储空间很小。Linux需要较多的资源，一般运行在处理器性能较强的平台上。
• FreeRTOS主要用于嵌入式领域，如工业控制、物联网、智能家居等。Linux主要用于桌面、服务器、移动设备等领域。

2.FreeRTOS能做什么？

1. FreeRTOS可以让你在微控制器或者小型微处理器上实现多任务的并发执行，从而提高你的系统的性能和效率。

2. FreeRTOS可以让你根据任务的优先级、时间片、事件等因素来灵活地调度任务的运行，从而保证你的系统的实时性和正确性。

3. FreeRTOS可以让你使用队列、信号量、互斥锁、事件组等机制来实现任务之间的同步和通信，从而保证你的系统的稳定性和可靠性。

4. FreeRTOS可以让你使用静态或者动态的方式来分配任务的内存空间，从而保证你的系统的灵活性和可扩展性。

5. FreeRTOS可以让你使用各种工具和方法来检测和调试你的系统，例如栈溢出检测、断言、跟踪分析等，从而保证你的系统的质量和安全性。

二、如何使用FreeRTOS？ — 第1个FreeRTOS程序

要使用FreeRTOS，首先你需要选择一个合适的硬件平台和软件环境，例如微控制器型号、编译器类型、开发板规格等。然后你需要下载FreeRTOS的源代码，并根据你的平台选择相应的移植文件（port file）。移植文件是一些针对不同平台的特殊代码，用来实现一些基本的功能，例如时钟配置、中断处理、任务切换等。接着你需要配置FreeRTOSConfig.h文件，这个文件是一个头文件，用来设置一些FreeRTOS相关的宏定义，例如任务数量、堆大小、调试选项等。最后你就可以开始编写你自己的应用程序了。

要创建一个FreeRTOS程序，首先需要包含FreeRTOS的头文件，并定义一些必要的宏和变量。例如：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

#define mainDELAY_LOOP_COUNT 100000UL
static void prvTask1(void *pvParameters);
static void prvTask2(void *pvParameters);

然后需要创建任务，并启动调度器。例如：

int main(void)
{
    xTaskCreate(prvTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(prvTask2, "Task 2", 1000, NULL, 1, NULL);
    vTaskStartScheduler();
    return 0;
}

这里创建了两个任务，分别执行prvTask1和prvTask2函数，每个任务分配了1000个字节的栈空间，优先级都为1，没有传递任何参数。然后调用vTaskStartScheduler函数启动调度器，这个函数会创建一个空闲任务，并开始按照优先级和时间片轮转调度各个就绪状态的任务。

每个任务都是一个无限循环的函数，可以在其中执行一些操作，并调用一些FreeRTOS提供的API函数。例如：

static void prvTask1(void *pvParameters)
{
    unsigned long ul;
    for(;;)
    {
        for(ul = 0; ul < mainDELAY_LOOP_COUNT; ul++)
        {
            // do something
        }
        vTaskDelay(250 / portTICK_PERIOD_MS);
        // toggle LED 1
    }
}

static void prvTask2(void *pvParameters)
{
    unsigned long ul;
    for(;;)
    {
        for(ul = 0; ul < mainDELAY_LOOP_COUNT; ul++)
        {
            // do something
        }
        vTaskDelay(250 / portTICK_PERIOD_MS);
        // toggle LED 2
    }
}

这里每个任务都执行了一个延时循环，并在每次循环后调用vTaskDelay函数挂起自己一段时间，然后切换到另一个任务。vTaskDelay函数的参数是以系统时钟节拍为单位的延时时间，portTICK_PERIOD_MS是一个宏，表示每个节拍的毫秒数，这个值取决于系统时钟的频率和配置。在每次延时结束后，每个任务都会切换一个LED的状态，以此来观察任务的运行情况。

这个程序可以在不同的硬件平台上运行，只需要根据不同的平台选择合适的FreeRTOS移植文件，并编写相应的硬件初始化和LED控制代码。FreeRTOS提供了多种平台的移植文件，可以在官网或者GitHub上找到。

---

三、FreeRTOS的堆和栈

1.堆和栈的概念

• 堆（heap）是一块动态分配的内存区域，可以在程序运行时根据需要申请和释放。
• 栈（stack）是一块静态分配的内存区域，用来存储函数调用时的局部变量、参数、返回地址等。
• FreeRTOS中每个任务都有自己的栈空间，用来保存任务的上下文（context），即任务运行时的寄存器值、状态等。
• FreeRTOS中还有一个任务控制块（TCB），用来保存任务的基本信息，例如任务名、优先级、状态、堆栈指针等。

2.堆和栈的分配方式

• FreeRTOS提供了多种堆管理方案，可以在FreeRTOSConfig.h文件中选择使用哪种方案。
• heap_1：只支持静态分配，即在程序开始时就分配好所有任务的TCB和栈空间，不支持动态创建和删除任务。
• heap_2：支持动态分配，即在程序运行时可以创建和删除任务，但不支持内存回收，即删除任务后不会释放其占用的内存空间。
• heap_3：支持动态分配和内存回收，使用标准C库的malloc和free函数来管理堆空间，但可能存在内存碎片问题，即堆空间被分割成很多小块，导致无法分配足够大的连续空间。
• heap_4：支持动态分配和内存回收，并且可以合并相邻的空闲块，减少内存碎片问题，但需要更多的代码空间和执行时间。
• heap_5：在heap_4的基础上增加了多个堆区域的支持，可以将不同大小或者不同属性的内存区域作为堆来使用，提高了内存利用率。

3.堆和栈的溢出检测

• 堆溢出（heap overflow）是指申请的堆空间超过了可用的堆空间，导致无法分配成功。
• 栈溢出（stack overflow）是指任务的栈空间不足以存储所需的数据，导致覆盖了其他内存区域。
• FreeRTOS提供了多种栈溢出检测方法，可以在FreeRTOSConfig.h文件中选择使用哪种方法。
• method 1：在栈顶和栈底设置哨兵值（sentinel value），并在每次任务切换时检查哨兵值是否被破坏。这种方法简单易用，但可能存在误报或者漏报的情况。
• method 2：使用MPU（内存保护单元）来保护栈区域不被非法访问。这种方法需要硬件支持，并且需要使用特殊的函数来创建任务。这种方法可以精确地检测到栈溢出，并且可以防止栈溢出造成的系统崩溃。
• method 3：结合method 1和method 2，既使用哨兵值又使用MPU来检测栈溢出。这种方法可以提高检测的准确性和安全性，但也增加了复杂度和开销。

四、创建任务函数及任务管理

FreeRTOS提供了多种创建任务的函数，除了xTaskCreate之外，还有xTaskCreateStatic、xTaskCreateRestricted、xTaskCreateRestrictedStatic等。这些函数的区别主要在于是否使用静态分配或者是否使用MPU。静态分配意味着TCB和栈空间都是由用户提供的，而不是从堆中分配的。MPU意味着可以为每个任务设置不同的内存访问权限，以提高系统的安全性和稳定性。

创建任务的函数都有一些共同的参数，例如：

• pvTaskCode：指向任务函数的指针。
• pcName：指向任务名字的指针。
• usStackDepth：指定任务栈的大小，以字为单位。
• pvParameters：指向传递给任务函数的参数的指针。
• uxPriority：指定任务的优先级，数值越大优先级越高。
• pxCreatedTask：指向接收任务句柄的变量的指针。

例如，下面的代码使用xTaskCreate函数创建了一个名为"Hello"，优先级为1，栈大小为1000字节，没有传递任何参数的任务，并将其句柄存储在xHandle变量中。

TaskHandle_t xHandle = NULL;
xTaskCreate(vTaskHello, "Hello", 1000, NULL, 1, &xHandle);

如果要使用静态分配，可以使用xTaskCreateStatic函数，并提供两个额外的参数：

• puxStackBuffer：指向分配给任务栈的内存区域的指针。
• pxTaskBuffer：指向分配给TCB的内存区域的指针。

例如，下面的代码使用xTaskCreateStatic函数创建了一个名为"World"，优先级为2，栈大小为1000字节，没有传递任何参数的任务，并将其句柄存储在xHandle变量中。同时，它使用了两个静态数组来分配任务栈和TCB所需的内存空间。

#define STACK_SIZE 1000
static StackType_t xStack[STACK_SIZE];
static StaticTask_t xTaskBuffer;
TaskHandle_t xHandle = NULL;
xHandle = xTaskCreateStatic(vTaskWorld, "World", STACK_SIZE, NULL, 2, xStack, &xTaskBuffer);

如果要使用MPU，可以使用xTaskCreateRestricted或者xTaskCreateRestrictedStatic函数，并提供一个结构体类型的参数：

• xTaskParameters：包含了创建任务所需的所有信息和MPU设置。

例如，下面的代码使用xTaskCreateRestricted函数创建了一个名为"MPU"，优先级为3，栈大小为1000字节，没有传递任何参数的任务，并将其句柄存储在xHandle变量中。同时，它使用了一个结构体变量来设置任务的MPU属性，例如允许访问RAM区域和FLASH区域等。

#define STACK_SIZE 1000
static const TaskParameters_t xTaskParameters = {
    .pvTaskCode = vTaskMPU,
    .pcName = "MPU",
    .usStackDepth = STACK_SIZE,
    .pvParameters = NULL,
    .uxPriority = 3,
    .puxStackBuffer = NULL,
    .xRegions = {
        {RAM_START_ADDRESS, RAM_LENGTH, portMPU_REGION_READ_WRITE},
        {FLASH_START_ADDRESS, FLASH_LENGTH, portMPU_REGION_READ_ONLY},
        {0, 0, 0}
    }
};
TaskHandle_t xHandle = NULL;
xHandle = xTaskCreateRestricted(&xTaskParameters, NULL);

创建任务的函数都会返回一个句柄（handle），这是一个指向TCB的指针，可以用来对任务进行管理。例如，可以使用vTaskDelete函数删除一个任务，可以使用vTaskSuspend和vTaskResume函数挂起和恢复一个任务，可以使用vTaskPrioritySet函数改变一个任务的优先级，可以使用xTaskNotify和xTaskNotifyWait函数给一个任务发送和接收通知等。

例如，下面的代码使用vTaskDelete函数删除了之前创建的"Hello"任务，并使用vTaskPrioritySet函数将"World"任务的优先级提高到4。

vTaskDelete(xHandle);
vTaskPrioritySet(xHandle, 4);

除了使用句柄来管理任务之外，还可以使用任务名或者任务标识符（task number）。每个任务都有一个唯一的标识符，可以使用uxTaskGetTaskNumber和vTaskSetTaskNumber函数获取和设置。每个任务也可以有一个最多8个字符的名字，可以使用pcTaskGetName函数获取。这些信息可以用来在调试或者跟踪时识别不同的任务。

例如，下面的代码使用uxTaskGetTaskNumber函数获取了当前任务的标识符，并使用pcTaskGetName函数获取了当前任务的名字，并打印出来。

UBaseType_t xTaskNumber = uxTaskGetTaskNumber(NULL);
char *pcTaskName = pcTaskGetName(NULL);
printf("The task number is %d, the task name is %s\n", xTaskNumber, pcTaskName);

另外我们还可以使用一些其他的任务管理功能，比如：
我们可以使用vTaskDelayUntil函数实现固定频率的周期性任务。这个函数需要传递一个指向上次唤醒时间的变量的指针，和一个以系统时钟节拍为单位的周期时间。这个函数会根据上次唤醒时间和周期时间计算出下次唤醒时间，并挂起当前任务直到下次唤醒时间到达。这样可以避免累积误差，保证任务按照固定频率执行。

---

本节完