FreeRTOS入门笔记——FreeRTOS介绍

一般来说，我们学习一个系统，我们要认识它的架构，本文是采用stm32+FreeRTOS，我们首先来介绍一下ARM架构和RISC-V。

以上两张图来自于韦东山freeRTOS快速入门视频

想学习的小伙伴可以这里有传送门：01_单片机_RTOS_架构的概念_哔哩哔哩_bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1844y1g7ud?p=1&vd_source=e9427297d268f39dc1b0079b3d6ba544

我们目前学习的ARM架构作为主流架构，使用广泛，但有一定缺点，如容易卡脖子，高额的授权费用。对比于RISC-V更成熟，但无论怎么样，先学习了再说。

FreeRTOS的介绍

FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少数实时操作系统能在小RAM单片机上运行。相对μC/OS-II、embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行。RT-Thread也是一个实时操作系统，是国产操作系统，本文就不过多赘叙了，有想要了解的读者可以自行百度。

为什么要学习RTOS

当我们进入嵌入式这个领域的时候，往往首先接触的都是单片机编程，单片机编程又首选51单片机来入门。这里 面说的单片机编程通常都是指裸机编程，即不加入任何RTOS（Real Time Operating System实时操作系统）的 程序。常用的RTOS有国外的FreeRTOS、μC/OS、RTX和国内的FreeRTOS、Huawei LiteOS和AliOS-Things等， 其中尤以国外开源且免费的FreeRTOS的市场占有率最高。

在裸机系统中，所有的程序基本都是自己写的，所有的操作都是在一个无限的大循环里面实现。现实生活中的很 多中小型的电子产品用的都是裸机系统，而且也能够满足需求。但是为什么还要学习RTOS编程，偏偏还要整个操 作系统进来。一是项目需要，随着产品要实现的功能越来越多，单纯的裸机系统已经不能够完美地解决问题，反而 会使编程变得更加复杂，如果想降低编程的难度，我们可以考虑引入RTOS实现多任务管理，这是使用RTOS的最 大优势。二是学习的需要，必须学习更高级的东西，实现更好的职业规划，为将来走向人生巅峰迎娶白富美做准 备，而不是一味的在裸机编程上面死磕。作为一个合格的嵌入式软件工程师，学习是永远不能停歇的事，时刻都 得为将来准备。书到用时方恨少，我希望机会来临时你不要有这种感觉。

FreeRTOS的特性

• 具有抢占式或者合作式的实时操作系统内核
• 功能可裁剪，最小占用10kB左右rom空间，0.5kB ram空间
• 灵活的任务优先级分配
• 具有低功耗模式
• 有互斥锁、信号量、消息队列等功能
• 运行过程可追踪
• 支持中断嵌套

                                       2018年IoT设备所采用操作系统的倾向性调查

目前比较流行的实时操作系统包括黑莓QNX，FreeRTOS，uCOS，RT-Thread等。在上图中可以看出，除了Linux和Windows通用操作系统外，接下来便是FreeRTOS受到广大开发者的青睐。图表中也罗列了一些国产的系统。比如腾讯发布和开源的TencentOS tiny，这是一个面向物联网的实时操作系统。华为也推出了鸿蒙LiteOS, 万物互联，遥遥领先。

和实时操作系统(Real Time Operating System)相对应的是通用操作系统(General Purpose Operating System)。通用操作系统包括Linux，Windows，MAC等主流的操作系统。这些操作系统大家每天都在使用，功能也十分强大，只是它们有时为了保障系统的流畅运行，就不能保证每个程序都能实时响应，在易用性和实时性之间有所取舍。而且单片机有限的片上资源也不足以支撑通用操作系统的运行。

正所谓术业有专攻，在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，从而更好地保证系统的实时性和可靠性。

FreeRTOS在stm32和esp32上的使用介绍

ESP32

ESP32芯片是有双核心（CPU0和CPU1）的，所以基于ESP32平台的FreeRTOS是修改支持SMP技术的。下图是ESP32在初始化中任务的创建过程，可以看到不同的任务被分别分配到了CPU0和CPU1。

作者当时在开发Esp32的时候，就经常遇到任务调度出现问题，然后跑飞的问题，后来修改任务进程，给他们修改优先级，堆栈空间等等，才合理运行。但是ESP32不用移植，直接调用头文件，就可以使用FreeRTOS操作系统。

STM32

STM32需要自己移植代码，后续我会推出移植博客。但我这里推荐HAL库开发，移植FreeRTOS，理由如下：

标准库和HAL库

还有一点要说明的事情，STM32的开发包括寄存器开发，标准库文件开发，还有HAL库开发三种开发方式。市面上很多应用教程都是针对标准库设计的。本系列教程将统一采用HAL（Hardware Abstraction Layer）库，这是一个痛苦的选择，但是因为意法半导体(ST)已经停止对标准库文件的维护和开发，为了与时俱和移植性便利性选择了HAL库。HAL库的原理和标准库大同小异，所以学起来其实并不会太累，只是需要跳离舒适区慢慢适应，适应好之后也就学会了屠龙之术。