初识 FreeRTOS + lwip
本文是对一些对Linux等系统有认识，但却没有接触过FreeRTOS系统的人提供一些帮助，能够了解FreeRTOS大致的一些工作原理和如何在FreeRTOS系统上开发还有网络协议栈实现等。作者对于FreeRTOS开发时间还不长，发现文中有哪些谬误，烦劳指出不胜感谢。本文大致分为以下几部分：
- Preface 主要描述RTOS与通用系统之间的区别和FreeRTOS系统的特性
- Task Management 主要描述Task如何创建、哪些状态切换等
- Task Communication & Synchronization 主要描述Task间通信及同步方式
- FreeRTOS Network 主要描述FreeRTOS的网络实现方式
- FreeRTOS Debug & Performance Analysis 主要描述 FreeRTOS的一些debug手段以及性能分析方式
1 Preface
What is RTOS？
那么什么是实时操作系统，实时操作系统又与我们平时使用的Linux、Windows操作系统有哪些不同呢？
先简单介绍下大多数操作系统都允许多个程序同时执行，称为多任务处理。但实际上每个处理器在同一时刻只能处理单个执行线程，而操作系统的调度程序来选择在何时运行哪个程序，并通过在每个程序之前快速切换从而提供同时执行的假象。
RTOS(Real-time operating system)实时操作系统和非实时操作系统根本区别就在于调度机制的不同。实时操作系统要旨在于确定性的执行模式。因为认为只有在可预测操作系统行为（确定）时，才能够满足实时的需求。大部分的RTOS操作系统是通过用户设定每个执行线程的优先级来实现确定性。在调度时，一定会优先执行高优先级的程序。而非实时操作系统是保证每个执行线程都不会饿死，尽量保证高优先级的程序较多运行。
那么，使用了实时操作系统，系统响应速度一定快，实时性一定得到保障了么？
不一定。在实时性要求较高的系统里，仍需注意以下两点：
- 因为实时操作系统本身引入了执行开销，所以对于小型应用来说，有RTOS的性能也许不如无操作系统的情况。实时操作系统的优势最能体现在中大型系统中，当任务间存在复杂的耦合和依赖关系，并且应用程序经常要长时间等待外部资源时。
- 在决定使用RTOS情况下，如果需提供实时性保证，仍需要使用实时系统理论对任务可调度性和相应时间进行分析，才可得到科学、系统的相应性保证。
常见的RTOS有FreeRTOS、uCosII / uCosIII、Nucleus RTOS等
常见应用场景是针对实时性要求较高使用，像汽车引擎控制、轨道交通、工业机器人、飞行器控制系统等
What is FreeRTOS？
FreeRTOS是一种RTOS系统，已经在35种微处理器下应用。目前在MIT License下发布，是一款开源、完全免费、商业级的操作系统。FreeRTOS参考的官方网站：https://www.freertos.org/
上图为全球电子产业媒体集团AspenCore发布的2017年嵌入式市场调研报告。FreeRTOS占20%的比重，位居第二，其中28%的调查者表示接下来更愿意尝试FreeRTOS系统。
FreeRTOS 有哪些特性？
FreeRTOS为多任务、互斥体、信号量和软件定时器提供了方法。没有如Linux、Windows一样的文件系统、规范化设备驱动、用户和网络支持。其重点放在小巧和执行速度上。FreeRTOS在使用上更像是在调用C库，不像一般意义的操作系统。主要有以下特性：
1、 占用内存小、开销低、执行速度快。
2、为低功率应用的无Tick选项，即没有时间片分配，如无高优先级任务抢占，将一直运行下去。
3、有效的软件定时器实现。FreeRTOS有定时器的Task，用于实现定时器功能，和硬件无直接关系。
4、快速Notifications机制。后文会详细介绍，一种Task间通信方式。
5、优先级继承的互斥锁。后文会详细介绍，Task同步方式的优点。
6、易于使用的API。
那么，与Linux系统相比较，有哪些细节上的不同呢？
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Linux |
FreeRTOS |
| 执行线程定义 |
线程/进程 |
Task |
| 内存管理 |
用户态和内核态 分配内存复杂 |
无区分用户态和内核态 分配内存简单 |
| 文件系统 |
多用户文件系统 |
无 |
| 同步/线程安全 |
自旋锁/RCU.. 互斥锁/条件变量 |
互斥锁/挂起调度器 |
| 进程通信方式 |
FIFO/信号量/消息队列… |
Queue/Notifications |
2 Task Management
那么，从上一章中介绍到FreeRTOS并没有文件系统，Linux应用开发都知道，将应用的code编译成一个bin档，运行时，启动该bin档即可，那么在FreeRTOS中如何进行开发呢？
FreeRTOS 入口是main函数，如下图所示，依次进行硬件初始化，Task初始化，TaskStartScheduler。
FreeRTOS通过添加Task来实现功能，Task即Linux上进程的概念。一般情况下，在FreeRTOS初始化阶段，对需要运行的Task进行初始化，包括Task运行的函数、分配的栈大小、优先级和传入参数等，接着在运行vTaskStartScheduler函数，会对已注册的Task进行调度运行。如果Task都能创建成功，则不会运行至最后的死循环中去。
可以看出，如果想新添加一个功能或者修改一点东西，在FreeRTOS中必须将整个操作系统及其他所有的Task重新编译。（只是需要重新编译，因编译优化，有些没有修改到的地方，就不会重新编译）。
那么，Task中的有什么必须遵守的规范么？
Task做为FreeRTOS的调度单元，是独立的运行实例，具有和其他Task不重复的堆栈空间。Task通常是无限循环执行，不允许以任何方式退出实现函数（return语句或者运行结束）。如果Task真的不需要了，需要显式的调用delete函数结束Task运行。
下图为Task1的具体实现，可以看到是在打印传入参数，然后利用循环等待一段时间，再循环运行。
Task2的实现与Task1实现相同，下图展示了运行结果
图中可以看出Task1和Task2交替打印，且打印次数基本相同。
FreeRTOS中在调度了Task后，会给该Task分配固定时间片，在时间片结束后触发Tick中断，进入Tick中断后，会根据优先级选择下一个时间片运行哪个Task。在FreeRTOS的配置文件中，可以设定时间片的长短以及选择无Tick模式（Tick中断频率一般是100Hz~1000Hz）。
由于Task1与Task2具有相同的优先级，所以调度程序会依次选择两个Task（FreeRTOS对于优先级相同的Task的选择原则是选择过往运行总时间较短的那个Task）。运行时序图如下图所示：
如将Task2的优先级调整为2，即比Task1的优先级高，那么运行效果是如何呢？
效果图如上图所示，Task2一直在运行，这里就体现了如第一章所描述实时操作系统的特点。当高优先级任务与低优先级任务同为就绪态时，调度程序运行一定会选择高优先级Task运行。运行时序图如下：
上文中提及的Task状态有就绪态和运行态，从上图中分析，一开始Task1和Task2同时为就绪态，一开始调度程序运行，从就绪态的Task中看到Task2的优先级最高，故运行Task2，Task2从就绪态转为运行态并开始运行，当时间片结束，Task2从运行态转为就绪态，调度程序同样从就绪态的Task中挑选优先级最高的Task2，以此循环运行。
那么，低优先级的程序就永远运行不了么，这里引入阻塞态的概念。
会将Task2和Task1中的利用空循环实现等待的方式，改为调用vTaskDelay函数。调用该函数会将Task转为阻塞态，直到达到等待时间，会将Task转回就绪态。实现效果如下：
从上图中可以看出，Task1和Task2交替运行。时序图如下图所示。
对时序图进行分析，一开始Task1和Task2 同为就绪态，调度程序选择优先级较高的Task2进入运行态并运行，Task2中打印之后调用vTaskDelay函数，进入阻塞态。进入调度程序，只能选择唯一在就绪态的Task1运行，同样的也进入了阻塞态。当调度程序发现没有就绪态的Task时，会选择Idel Task，该task会处于低功耗的状态，由Schduler创建。直到Delay时间结束，将Task2和Task1从阻塞态转入就绪态，调度程序继续调度运行。
3 Task Communication & Synchronization
上一章中有提到，Task在初始化时规定了栈的大小，所以分配时每个Task有着互不重叠的空间。如下图所示
那么Task之间如何通信呢，FreeRTOS有提供Queue机制用于Task间通信，Queue具有自己的空间，如下图所示
Queue的用法也非常简单，与Linux FIFO的用法比较类似，初始化Queue的num和size后，便先入先出的访问，原理如下图所示：
因用法较简单，这里不赘述，详细用法查询官方文档。
介绍完Task间通信，再