10.1.5. free_rtos基础知识体系梳理

FreeRTOS 在线手册　https://freertos.asicfans.com/

单任务系统

单任务系统中主要采用超级循环系统(前后台系统),应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看作后台行为．中断服务程序处理异步时间，这部分可以看作前台行为．后台也可以叫做任务级，前台也叫做中断级

前后台系统编程主要有两种思路：轮询方式(实时性不能得到保障),中断方式

中断与轮循结合的方式可以解决很多裸机应用，但随着系统的复杂，裸机的缺点就暴露出来了

ISR函数变得非常复杂，并且需要很长的执行时间．当ISR嵌套可能会产生不可预测的执行时间和堆栈需求
超级循环与ISR之间的数据交换通过全局变量进行．
超级循环使得应用程序变得复杂，可扩展性差

多任务系统

采用多任务系统可以解决裸机开发中的几个缺点

freertos是一款支持多任务运行的实时操作系统，具有时间片，抢占式和合作式三种调度方式．

10.1.5.1. 任务堆栈

上图中显示栈与堆空间的设置

注解

在freertos操作系统中，主堆栈指针MSP是给系统栈空间使用的，进程栈指针PSP是给任务栈使用的．也就是说freertos任务中，所有栈空间的使用都是通过PSP指针进行指向的．实际应用中系统栈空间分配多大，主要看可能发生的中断嵌套层数．

10.1.5.1.1. 任务栈大小确定

函数的栈大小计算起来是比较麻烦的，一般IDE开发环境都会有这样的一个功能，比如MDK会生成一个htm文件．用户可以通过这个文件知道每个被调用函数的最大栈需求以及各个函数的调用关系．但是MDK无法确定通过函数指针实现函数调用时的栈需求．另外，发生中断或者中断嵌套时的现场保护需要的栈空间也不会统计

10.1.5.1.2. 栈溢出检测机制

栈的生长方向一般是从高地址向地址生长的

上图中array数组的申请就发生来栈溢出

FreeRTOS提供了两种栈溢出检测机制，这两种检测都是任务切换时才会进行

1) 在任务切换时检测任务栈指针是否越界了，如果越界来，在任务切换时会触发栈溢出钩子函数．用户可以在钩子函数里面做一些处理．这种方法不能保证所有的栈溢出都能检测到．比如在任务执行过程中出现过栈溢出，任务切换前栈指针又恢复到了正常水平．

使用这种方法时用户需要在FreeRTOSConfig.h文件中配置如下宏定义

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 1

2) 任务创建的时候将任务栈的所有数据初始化为0xa5，任务切换时进行任务栈检测，检查末尾的16个字节是否都是0xa5,通过这种方式来检测任务栈是否溢出了，相比方法一这种方法速度稍微慢些，但有效的避免了方法一中的某些情况．但还是不能检测所有任务栈溢出情况，比如发生栈溢出来，但是末尾的16个字节没有修改，但是修改了溢出部分的数据

使用这种方法时用户需要在FreeRTOSConfig.h文件中配置如下宏定义

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2

10.1.5.2. 任务状态

注解

FreeRTOS的任务状态(4种):运行态(running),就绪态(ready),阻塞态(blocked),挂起态(suspended) ucos任务状态(5种):睡眠状态，就绪状态，等待状态，中断服务状态，执行状态

运行态(running): 任务处于实际运行状态，即CPU的使用权被这个任务占用
就绪态(ready): 指那些能够运行(没有阻塞或者挂起)但是当前没有运行的任务，因为同优先级或更高优先级的任务正在运行
阻塞态(blocked): 由于等待信号量，消息队列，事件标志等处于的状态成为阻塞态，另外任务调用延迟函数也会处于阻塞态
挂起态(suspended): 类似阻塞态，通过调用函数vTaskSuspend()对指定任务进行挂起，挂起后这个任务将不被执行，只有调用xTaskResume()才可以将这个任务从挂起状态恢复

10.1.5.3. 任务优先级

FreeRTOS中任务最高优先级是通过 FreeRTOSConfig.h 文件中的 configMAX_PRIORITIES 进行配置的．用户可以使用的优先级范围是0~configMAX_PRIORITIES
用户配置的优先级数值越小，任务优先级越低．空闲任务的优先级是0
configMAX_PRIORITIES 建议最大值不超过32

IRQ任务: 指中断服务程序触发的任务，此类任务应该设置为所有任务里面优先级最高的

注解

IRQ任务和高优先级任务必须设置为阻塞式(调用消息等待或延迟函数)，只有这样高优先级的任务才会释放CPU的使用权，从而低优先级的任务才会有机会执行

10.1.5.4. 任务调度

FreeRTOS是一款支持多任务运行的实时操作系统，具有时间片，抢占式，合作式三种调度方式

合作式调度，主要用在资源有限的设备上面，现在基本不用了
抢占式调度，每个任务都有不同的优先级，任务会一直运行到被高优先级的任务抢占或者遇到阻塞式的API函数
时间片调度，每个任务都有相同的优先级，任务会运行固定的时间片个数或者遇到阻塞式API函数

10.1.5.4.1. 调度器

调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的任务，所有的调度器有一个共同的特性：

调度器可以区分就绪态任务和挂起任务(延迟，信号量等待等原因挂起的任务), 调度器可以选择就绪态中的一个任务，然后激活它

抢占式调度器

时间片调度器

在小型的嵌入式RTOS中，最常用的时间片调度算法就是Round-robin调度算法.

用户需要在 FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定义

#define configUSE_TIME_SLICING 1

10.1.5.5. 临界区，锁与系统时间

代码的临界区，一旦这部分代码开始执行，则不允许任何中断打断．为了保证这部分代码不被中断，需要进行关中断操作

锁

调度锁: 调度锁就是RTOS提供的调度器开关函数，如果某个任务调用了调度锁开关函数，处于调度锁开关之间的代码在执行期间不会被高优先级的任务抢占，但中断是可以执行的
任务锁: 为了防止当前任务的执行被其他高优先级的任务．FreeRTOS没有专门的任务锁函数，有以下两种实现方A.通过调度器加锁实现B.关闭任务切换中断PendSV和系统Systick

任何操作系统都需要提供一个时钟节拍，以供系统处理注入延迟，超时等时间相关的事件．时钟节拍是特定的周期性中断，这个中断可以看成是系统心跳，系统节拍越快，系统的额外开销就越大. MCU中一般采用滴答定时器来实现系统时钟节拍