FreeRTOS初学笔记——小白必看，受用不尽

FreeRTOS个人学习笔记：

1.为什么学习RTOS?
对于现代的微处理器，特别是资源相对丰富ARM7、Cortex-M3硬件来说，RTOS占用的硬件资源已经越来越可以忽略。所以在当今环境下，我们无需担心RTOS会拖累性能。相反，RTOS提供的事件驱动型设计方式，使得RTOS只是在处理实际任务时才会运行，这能够更合理的利用CPU。在实际项目中，如果程序等待一个超时事件，传统的无RTOS情况下，要么在原地一直等待而不能执行其它任务，要么使用复杂（相对RTOS提供的任务机制而言）的状态机机制。如果使用RTOS，则可以很方便的将当前任务阻塞在该事件下，然后自动去执行别的任务，这显然更方便，并且可以高效的利用CPU。处理这类事件，是我使用RTOS的最大动力，但考虑到系统的稳定性，我不得不再三权衡RTOS可能带来的一些弊端：

1.大多数RTOS代码都具有一定规模，任何代码都可能带来BUG，何况是代码具有一定规模的RTOS，因此引入RTOS的同时也可能会引入该RTOS的BUG，这些RTOS本身的BUG一旦被触发，影响可能是是灾难性的。
2.熟练的使用RTOS是一项技能，需要专业的知识储备和长期的经验积累。不将RTOS分析透彻，很容易为项目埋下错误。典型的，像中断优先级、任务堆栈分配、可重入等，都是更容易出错的地方。
3.RTOS的优先级嵌套使得任务执行顺序、执行时序更难分析，甚至变成不可能。任务嵌套对所需的最大堆栈RAM大小估计也变得困难。这对于很多对安全有严格要求的场合是不可想象的。
4. RTOS应该用于任务复杂的场合，以至于对任务调度的需求可以抵消RTOS所带来的稳定性影响，但大部分的应用并非复杂到需要RTOS。

以上原因是我拒绝在实际项目中使用RTOS的理由，但是否使用RTOS跟是否学习RTOS完全是两码事。我认为任何嵌入式软件设计人员都应该至少学习一种RTOS，不仅是需要掌握RTOS背后的操作系统原理、学习RTOS的编程方式，更是为将来做准备。

即便我认为现在的物联网有点言过其实，但我依然看好物联网的发展前景。随着物联网的发展，未来的嵌入式产品必然更为复杂、连接性更强以及需要更丰富的用户界面。当处理这些任务时，一个好的RTOS就变得不可缺少了。

书到用时方恨少，我希望自己永远不会有这种感觉。所以从现在起，我要开始深入一个RTOS，探索它背后的原理，掌握其编程方法，避免其缺陷和陷阱，并将它安全的用在将来的项目中。

2.为什么选择FreeRTOS
对比了许多RTOS，最终选择FreeRTOS，原因是多方面的：

1.SafeRTOS便是基于FreeRTOS而来，前者是经过安全认证的RTOS，因此对于FreeRTOS的安全性也有了信心。
    
2.大量开发者使用，并保持高速增长趋势。2011、2012、2013、2014、2015、2017年（暂时没有2016年的数据）的EEtimes杂志嵌入式系统市场报告显示，FreeRTOS在RTOS内核使用榜和RTOS内核计划使用榜上都名列前茅。更多的人使用可以促进发现BUG，增强稳定性。

3.简单。内核只有3个.c文件，全部围绕着任务调度，没有任何其它干扰，便于理解学习。而且，我根本不需要其它繁多的功能，只要任务调度就够了。

4.文档齐全。在FreeRTOS官方网站上，可以找到所有你需要的资料。

5.免费、开放源码。完全可以免费用于商业产品，开放源码更便于学习操作系统原理、从全局掌握FreeRTOS运行机理、以及对操作系统进行深度裁剪以适应自己的硬件。

6.2017年底，FreeRTOS作者加入亚马逊，担任首席工程师，FreeRTOS也由亚马逊管理。同时修改了用户许可证，FreeRTOS变得更加开放和自由。背靠亚马逊，相信未来FreeRTOS会更加稳定可靠。此外，以前价格不菲的《实时内核指南》和《参考手册》也免费开放下载，这使得学习更加容易。

3.嵌入式实时系统；
RTOS（实时系统）的
核心 ：任务管理
要点：及时性与可靠性

2.RTOS与通用OS(win7/linux)的区别：
点击这里阅读

3.初步上手掌握要点：
任务的创建，删除，挂起和恢复等操作

4.进程和任务的区别
进程是程序的一次执行，进程是任务的执行实体，进程是若干指令在一定环境下对数据集合的动态执行过程。
任务是一个很宽泛的概念，指由软件完成的一个活动。一个任务往往要由若干进程（也可以是一个）共同完成。

5.中断服务程序和一般主程序有什么异同
区别主要是在于用途，一般主程序执行程序作者你自己想要的功能，比如输出信息，四则运算等等，而中断服务程序则是事先编好的某个特定的程序，用来执行一些系统的“紧急情况”，优先级较之一般主程序要高。比如你插入了U盘，准备copy数据到电脑上，这个时候CPU就会调用终端服务程序去处理你这次的IO操作，然后再去回到中断之前的状态继续运行CPU的下条指令。

表达能力有限，给你下文再咀嚼下~~
中断服务程序：处理器处理“急件”，可理解为是一种服务，是通过执行事先编好的某个特定的程序来完成的，这种处理“急件”的程序被称为——中断服务程序。
　　当中央处理器正在处理内部数据时，外界发生了紧急情况，要求CPU暂停当前的工作转去处理这个紧急事件。处理完毕后，再回到原来被中断的地址，继续原来的工作，这样的过程称为中断。实现这一功能的部件称为中断系统，申请CPU中断的请求源称为中断源，单片机的中断系统一般允许多个中断源，当多个中断源同时向CPU请求中断时，就存在一个中断优先权的问题。通常根据中断源的优先级别，优先处理最紧急事件的中断请求源，即最先响应级别最高的中断请求。

中断处理过程：

　　（1）保护被中断进程现场。为了在中断处理结束后能够使进程准确地返回到中断点，系统必须保存当前处理机状态字PSW和程序计数器PC等的值。
　　（2）分析中断原因，转去执行相应的中断处理程序。在多个中断请求同时发生时，处理优先级最高的中断源发出的中断请求。
　　（3）恢复被中断进程的现场，CPU继续执行原来被中断的进程。

6.任务管理的基础知识：多任务系统
多任务系统会把一个大问题(应用)“分而治之”，把大问题划分成很多个小问题，逐步的把小问题解决掉，大问题也就随之解决了，这些小问题可以单独的作为一个小任务来处理。这些小任务是并发处理的，注意，并不是说同一时刻一起执行很多个任务，而是由于每个任务执行的时间很短，导致看起来像是同一时刻执行了很多个任务一样。多个任务带来了一个新的问题，究竟哪个任务先运行，哪个任务后运行呢？完成这个功能的东西在RTOS 系统中叫做任务调度器。不同的系统其任务调度器的实现方法也不同，比如FreeRTOS 是一个抢占式的实时多任务系统，那么其任务调度器也是抢占式的
优先级的任务可以打断低优先级任务的运行而取得CPU 的使用权，这样就保证了那些紧急任务的运行。这样我们就可以为那些对实时性要求高的任务设置一个很高的优先级，比如自动驾驶中的障碍物检测任务等。高优先级的任务执行完成以后重新把CPU 的使用权归还给低优先级的任务，这个就是抢占式多任务系统的基本原理。

7.任务的特性：
在使用RTOS 的时候一个实时应用可以作为一个独立的任务。每个任务都有自己的运行环境，不依赖于系统中其他的任务或者RTOS 调度器。任何一个时间点只能有一个任务运行，具体运行哪个任务是由RTOS 调度器来决定的，RTOS 调度器因此就会重复的开启、关闭每个任务。任务不需要了解RTOS 调度器的具体行为，RTOS 调度器的职责是确保当一个任务开始执行的时候其上下文环境(寄存器值，堆栈内容等)和任务上一次退出的时候相同。为了做到这一点，每个任务都必须有个堆栈，当任务切换的时候将上下文环境保存在堆栈中，这样当任务再次执行的时候就可以从堆栈中取出上下文环境，任务恢复运行。

7.1任务特性：

1、简单。
2、没有使用限制。
3、支持抢占
4、支持优先级
5、每个任务都拥有堆栈导致了RAM 使用量增大。
6、如果使用抢占的话的必须仔细的考虑重入的问题。

7.2任务实现：
在使用FreeRTOS 的过程中，我们要使用函数xTaskCreate()或xTaskCreateStatic()来创建任务，这两个函数的第一个参数pxTaskCode，就是这个任务的任务函数。什么是任务函数？任务函数就是完成本任务工作的函数。我这个任务要干嘛？要做什么？要完成什么样的功能都是在这个任务函数中实现的。 比如我要做个任务，这个任务要点个流水灯，那么这个流水灯的程序就是任务函数中实现的。FreeRTOS 官方给出的任务函数模板如下：

void vATaskFunction(void *pvParameters) (1)
{
for( ; ; ) (2)
{
--任务应用程序-- (3)
vTaskDelay(); (4)
}
/* 不能从任务函数中返回或者退出， 从任务函数中返回或退出的话就会调用
configASSERT()，前提是你定义了configASSERT()。如果一定要从任务函数中退出的话那一定
要调用函数vTaskDelete(NULL)来删除此任务。*/
vTaskDelete(NULL); (5)
}

(1)、任务函数本质也是函数，所以肯定有任务名什么的，不过这里我们要注意：任务函数的返回类型一定要为void 类型，也就是无返回值，而且任务的参数也是void 指针类型的！任务函数名可以根据实际情况定义。
(2)、任务的具体执行过程是一个大循环，for(; ; )就代表一个循环，作用和while(1)一样，笔者习惯用while(1)。
(3)、循环里面就是真正的任务代码了，此任务具体要干的活就在这里实现！
(4)、FreeRTOS 的延时函数，此处不一定要用延时函数，其他只要能让FreeRTOS 发生任务切换的API 函数都可以，比如请求信号量、队列等，甚至直接调用任务调度器。只不过最常用的就是FreeRTOS 的延时函数。
(5)、任务函数一般不允许跳出循环，如果一定要跳出循环的话在跳出循环以后一定要调用函数vTaskDelete(NULL)删除此任务！FreeRTOS 的任务函数和UCOS 的任务函数模式基本相同的，不止FreeRTOS，其他RTOS的任务函数基本也是这种方式的。

7.3任务控制块：
FreeRTOS 的每个任务都有一些属性需要存储，FreeRTOS 把这些属性集合到一起用一个结构体来表示，这个结构体叫做任务控制块：TCB_t，在使用函数xTaskCreate()创建任务的时候就会自动的给每个任务分配一个任务控制块。在老版本的FreeRTOS 中任务控制块叫做tskTCB，新版本重命名为TCB_t，但是本质上还是tskTCB，本教程后面提到任务控制块的话均用TCB_t表示，此结构体在文件tasks.c 中有定义，如下：

typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t *pxTopOfStack; //任务堆栈栈顶
#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
xMPU_SETTINGS xMPUSettings; //MPU 相关设置
#endif
ListItem_t xStateListItem; //状态列表项
ListItem_t xEventListItem; //事件列表项
UBaseType_t uxPriority; //任务优先级
StackType_t *pxStack; //任务堆栈起始地址
char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];//任务名字
#if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
StackType_t *pxEndOfStack; //任务堆栈栈底
#endif
#if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
UBaseType_t uxCriticalNesting; //临界区嵌套深度
#endif
#if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 ) //trace 或到debug 的时候用到
UBaseType_t uxTCBNumber;
UBaseType_t uxTaskNumber;
#endif
#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
UBaseType_t uxBasePriority; //任务基础优先级,优先级反转的时候用到
UBaseType_t uxMutexesHeld; //任务获取到的互斥信号量个数
#endif
#if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
TaskHookFunction_t pxTaskTag;
#endif
#if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 ) //与本地存储有关
void
*pvThreadLocalStoragePointers[ configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];
#endif
#if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
uint32_t ulRunTimeCounter; //用来记录任务运行总时间
#endif
#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
struct _reent xNewLib_reent; //定义一个newlib 结构体变量
#endif
#if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 ) //任务通知相关变量
volatile uint32_t ulNotifiedValue; //任务通知值
volatile uint8_t ucNotifyState; //任务通知状态
#endif
#if( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )
//用来标记任务是动态创建的还是静态创建的，如果是静态创建的此变量就为pdTURE，
//如果是动态创建的就为pdFALSE
uint8_t ucStaticallyAllocated;
#endif
#if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
uint8_t ucDelayAborted;
#endif
} tskTCB;
//新版本的FreeRTOS 任务控制块重命名为TCB_t，但是本质上还是tskTCB，主要是为了兼容
//旧版本的应用。
typedef tskTCB TCB_t;