RTOS 基礎(chǔ)概念

想象一下，你是一個(gè)忙碌的廚師，在廚房里同時(shí)要完成煎牛排和煮意大利面兩項(xiàng)任務(wù)。

1.傳統(tǒng)單線程模式（沒有RTOS）

如果你只能按順序一項(xiàng)一項(xiàng)地做，就會(huì)是這樣的過程：

• 先煎一會(huì)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(fù)雜，需要頻繁翻面和控制火候，那么意大利面就可能會(huì)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(jī)開發(fā)，沒有使用操作系統(tǒng)，任務(wù)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(wù)模式

當(dāng)引入 RTOS 后，就可以 “同時(shí)” 進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)。你可以這樣安排：

• 啟動(dòng)一個(gè) “煎牛排任務(wù)”，讓它自己在那里煎著
• 同時(shí)啟動(dòng)一個(gè) “煮意大利面任務(wù)”，讓它也自己煮著
• 你只需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候去查看一下每個(gè)任務(wù)的進(jìn)度，比如每隔一會(huì)兒去給牛排翻個(gè)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(shí)間完成，而且不會(huì)相互干擾。這就是 RTOS 的基本概念，它可以讓單片機(jī)同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，提高系統(tǒng)的效率和實(shí)時(shí)性。

RTOS 的全稱是 Real-time operating system，即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。與我們?nèi)粘Ｊ褂玫?Windows 等通用操作系統(tǒng)不同，RTOS 更注重實(shí)時(shí)性，能夠確保任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。例如，在一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)中，如果某個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集任務(wù)不能及時(shí)完成，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失控。

下面是一個(gè)簡單的 RTOS 程序示例，用 C 語言編寫：

在這個(gè)示例中，我們創(chuàng)建了兩個(gè)任務(wù)：Task_FrySteak 和 Task_CookPasta。每個(gè)任務(wù)都有自己的獨(dú)立運(yùn)行邏輯，通過 vTaskDelay 函數(shù)來控制任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間間隔。xTaskCreate 函數(shù)用于創(chuàng)建任務(wù)，vTaskStartScheduler 函數(shù)用于啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器，開始調(diào)度各個(gè)任務(wù)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(gè)非常受歡迎的選擇，它有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

• 開源免費(fèi)：FreeRTOS 是開源的，任何人都可以免費(fèi)使用和修改，這對(duì)于降低開發(fā)成本非常有幫助。
• 輕量級(jí)：它的內(nèi)核非常小巧，占用的資源很少，適合在資源有限的單片機(jī)上運(yùn)行。
• 實(shí)時(shí)性好：FreeRTOS 提供了高效的任務(wù)調(diào)度算法，能夠確保任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，滿足實(shí)時(shí)性要求。
• 易于使用：FreeRTOS 提供了豐富的 API 函數(shù)，易于學(xué)習(xí)和使用。同時(shí)，它還支持多種硬件平臺(tái)，包括 ARM、RISC-V 等常見的架構(gòu)。

FreeRTOS 的架構(gòu)

FreeRTOS 的架構(gòu)可以分為以下幾個(gè)層次：

1.硬件抽象層（HAL）

這一層負(fù)責(zé)與硬件進(jìn)行交互，包括處理器、內(nèi)存、外設(shè)等。它提供了一些基本的函數(shù)，如中斷處理、時(shí)鐘管理等，使得 FreeRTOS 能夠在不同的硬件平臺(tái)上運(yùn)行。

2.內(nèi)核層

這是 FreeRTOS 的核心部分，包括任務(wù)調(diào)度器、內(nèi)存管理、信號(hào)量、互斥量等組件。任務(wù)調(diào)度器負(fù)責(zé)決定哪個(gè)任務(wù)應(yīng)該在當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行，內(nèi)存管理組件負(fù)責(zé)分配和釋放內(nèi)存，信號(hào)量和互斥量用于任務(wù)之間的同步和通信。

3.應(yīng)用層

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

FreeRTOS 內(nèi)核組件詳解

1.堆內(nèi)存管理

FreeRTOS 提供了多種堆內(nèi)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(nèi)存管理方案包括：

• 簡單分配器：這種方案簡單易用，但內(nèi)存利用率較低，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
• 最佳適配分配器：這種方案能夠更好地利用內(nèi)存，減少內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜一些。

2.任務(wù)管理

任務(wù)是 FreeRTOS 中最基本的執(zhí)行單元。FreeRTOS 支持多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都有自己的優(yōu)先級(jí)和堆棧空間。任務(wù)可以處于以下幾種狀態(tài)之一：

• 運(yùn)行態(tài)：當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)。
• 就緒態(tài)：任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行，但由于其他任務(wù)正在運(yùn)行，暫時(shí)無法執(zhí)行。
• 阻塞態(tài)：任務(wù)因?yàn)榈却硞€(gè)事件（如信號(hào)量、消息隊(duì)列等）而暫停執(zhí)行。
• 掛起態(tài)：任務(wù)被掛起，暫時(shí)不會(huì)被調(diào)度執(zhí)行。

3.隊(duì)列管理

隊(duì)列是 FreeRTOS 中用于任務(wù)之間通信的重要機(jī)制。任務(wù)可以通過隊(duì)列發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和傳遞。隊(duì)列具有以下特點(diǎn)：

• 先進(jìn)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(wù)程序中安全地使用隊(duì)列。

4.軟件定時(shí)器

軟件定時(shí)器是 FreeRTOS 提供的一種定時(shí)機(jī)制，它可以在指定的時(shí)間間隔后觸發(fā)一個(gè)回調(diào)函數(shù)。軟件定時(shí)器可以用于實(shí)現(xiàn)一些周期性的任務(wù)，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(jī)中非常重要的機(jī)制，它可以讓 CPU 及時(shí)響應(yīng)外部事件。FreeRTOS 提供了對(duì)中斷的支持，用戶可以在中斷服務(wù)程序中調(diào)用 FreeRTOS 的 API 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)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(wù)或中斷打斷。FreeRTOS 提供了進(jìn)入和退出臨界區(qū)的函數(shù)，用戶可以在需要保護(hù)的代碼段前后調(diào)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(hù)共享資源的機(jī)制，它可以確保在同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)能夠訪問共享資源。FreeRTOS 提供了互斥量的實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過獲取和釋放互斥量來控制對(duì)共享資源的訪問。

8.守門任務(wù)

守門任務(wù)是一種特殊的任務(wù)，它可以用于控制對(duì)某些資源的訪問。只有當(dāng)守門任務(wù)允許時(shí)，其他任務(wù)才能訪問這些資源。

9.事件組

事件組是一種用于任務(wù)之間同步的機(jī)制，它可以讓一個(gè)任務(wù)等待多個(gè)事件的發(fā)生。任務(wù)可以通過設(shè)置和清除事件組中的事件來通知其他任務(wù)。

10.任務(wù)通知

任務(wù)通知是一種輕量級(jí)的任務(wù)間通信機(jī)制，它可以讓一個(gè)任務(wù)向另一個(gè)任務(wù)發(fā)送通知。任務(wù)通知可以用于實(shí)現(xiàn)一些簡單的任務(wù)間同步和通信。

FreeRTOS 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)部分采用了兩種不同的開發(fā)板：華清遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)中，我們將逐步引導(dǎo)初學(xué)者完成以下內(nèi)容：

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

創(chuàng)建和管理任務(wù)：學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建、啟動(dòng)、停止和刪除任務(wù)，以及如何設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和堆棧大小。

使用隊(duì)列和信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間通信：了解如何通過隊(duì)列和信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞和同步。

使用軟件定時(shí)器和中斷：掌握軟件定時(shí)器和中斷的使用方法，實(shí)現(xiàn)周期性任務(wù)和外部事件的響應(yīng)。

內(nèi)存管理和性能優(yōu)化：學(xué)習(xí)如何優(yōu)化內(nèi)存使用，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

通過這些實(shí)驗(yàn)，讓初學(xué)者深入了解 FreeRTOS 的工作原理和使用方法，掌握如何在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用 FreeRTOS 來開發(fā)高效、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

總之FreeRTOS 是一款功能強(qiáng)大、易于使用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它為單片機(jī)開發(fā)提供了豐富的功能和高效的任務(wù)管理機(jī)制。通過學(xué)習(xí) FreeRTOS，讀者可以掌握實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)方法，提高自己的編程能力和解決實(shí)際問題的能力。

在我們的《嵌入式體系課：STM32全棧工程師實(shí)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(chǔ)與使用、任務(wù)創(chuàng)建方法、任務(wù)參數(shù)使用、任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、相對(duì)延時(shí)函數(shù)、隊(duì)列、定時(shí)器等，通過理論講解、案例分析和實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合的方式，幫助用戶深入理解 FreeRTOS 的架構(gòu)和應(yīng)用。無論你是初學(xué)者還是有一定經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者，都能從課程中獲得有益的知識(shí)和技能，為自己的嵌入式學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這部分課程不單賣，可以直接購買嵌入式VIP/SVIP會(huì)員（按月/半年），就可以看上面紅框內(nèi)容的教學(xué)視頻。當(dāng)然如果您想學(xué)習(xí)更多嵌入式領(lǐng)域的知識(shí)點(diǎn)，比如GPIO控制器、串口控制器、LVGL、原理圖與PCB設(shè)計(jì)等，或?qū)崙?zhàn)嵌入式體系課的綜合項(xiàng)目，購買嵌入式會(huì)員都可以在會(huì)員有效期內(nèi)觀看。