RTOS学习笔记（一）：FreeRTOS简介

1.裸机与RTOS介绍

裸机：简单来讲，裸机的首要特点就是没有操作系统。裸机又称为前后台系统，所谓的前台系统指的是中断服务函数，而后台系统则指的是大循环，也就是应用程序。

RTOS: Real Time Operation System,  实时操作系统。RTOS中的任务可以分为低优先级任务和高优先级任务，低优先级任务在运行过程中可以被高优先级任务打断，而高优先级任务自然可以被更高优先级的任务打断，即使是最高优先级的任务也会被中断服务程序打断。

相比于裸机，RTOS的优势在于什么呢？

裸机在执行完当前任务后才能够执行下一个任务，RTOS虽然在同一时刻也只能做一项任务，。也就是说，裸机的实时性差，应用程序只能轮流执行，当裸机使用延时函数时，CPU无法执行其它代码，由于裸机实现功能都放在while代码中，所以其结构也比较臃肿。从RTOS的名字也可以看出，RTOS强调的是实时性，每个任务都是一个无限循环。RTOS的延时函数可以用于任务调度，充分利用了CPU的资源，且每个任务都有一个单独的栈空间，这就确保了每次执行完高优先级的任务，都会从之前的打断点开始，继续执行任务。要注意的是，中断能够打断任意任务。

2. FreeRTOS

2.1 FreeRTOS简介

从字面很容易理解，FreeRTOS是一个免费的嵌入式实时操作系统。除了免费之外，稳定性和安全性也是FreeRTOS的亮点之一。此外，FreeRTOS可以裁剪，其核心代码只有9000行，被3个.c文件所包含。在优先级方面，任务的优先级分配没有什么限制，并且多任务可以在同一个优先级，其实时任务数量在软件方面也没有限制。支持抢占式、协程式、时间片流转任务调度。

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2.2 FreeRTOS基础知识

2.2.1任务调度

调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的哪个任务。

FreeRTOS共支持三种调度任务：

- 抢占式调度：主要是针对优先级不同的任务，根据任务优先级的不同，调度任务。

- 时间片调度：主要是针对优先级相同的任务，当多个任务的优先级相同时，任务调度器会在每一个系统时钟节拍到的时候切换任务。
- 协程式调度：当前执行任务将会一直执行，同时高优先级的任务不会抢占低优先级任务，但是FreeRTOS官方表示不会再继续更新协程式调度。

抢占式调度

图中的运行过程为：

1. Task1在运行中，当Task2就绪时，在抢占式调度器的作用下Task2会抢占Task1的运行
2. Task2在运行中，当Task3就绪时，在抢占式调度器的作用下Task3会抢占Task2的运行
3. Task3在运行中，当Task3阻塞（系统延时或等待信号量等）时，此时就绪态中，优先级最高的任务Task2执行。
4. Task3阻塞解除了（延时到了或者接收到信号量），此时Task3恢复到就绪态中，抢占Task2的运行

抢占式调度的特点可以总结为以下三项：

• 高优先级任务，优先执行
• 高优先级任务不停止，低优先级任务无法执行
• 被抢占的任务将会进入就绪态

时间片调度

同等优先级任务轮流地享有相同的 CPU 时间(可设置)， 叫时间片，在FreeRTOS中，一个时间片就等于SysTick 中断周期

图中的运行过程如下：

1. Task1运行完一个时间片后，切换至Task2运行。
2. Task2运行完一个时间片后，切换至Task3运行。
3. Task3运行过程中（还不到一个时间片），Task3阻塞了（系统延时或等待信号量等），此时直接切换到下一个任务Task1。
4. Task1运行完一个时间片后，切换至Task2运行。

抢占式调度的特点可以总结为以下三项：

• 同等优先级任务，轮流执行，时间片流转
• 一个时间片大小取决为滴答定时器中断周期
• 注意没有用完的时间片不会再使用，下一次的任务还是会按照整个时间片的时钟节拍运行

2.1.2任务状态

FreeRTOS任务共存在4种任务状态：

1. 运行态：正在执行的任务就处于运行态，在STM32中，同一时间仅有一个任务处于运行态
2. 就绪态：如果该任务已经能够被执行，但当前还未被执行，则称该任务目前处于就绪态。
3. 阻塞态如果一个任务因延时或等待外部事件发生，那么这个任务就处于就绪态。
4. 挂起态：类似于暂停，可以通过调用函数`vTaskSuspend()`进入挂起态，当需要解挂时，可以通过调用函数`vTaskResume()`解挂。

四种状态之间的转换如下图所示：

只有就绪态可以转变为运行态，当其他状态的任务想要运行时，必须先转换为就绪态。

任务状态列表

在FreeRTOS的四种状态中，除了运行态，其他三种任务状态的任务都有其对应的任务状态列表。

• 就绪列表：pxReadyTaskLists[x]，其中x代表优先级数值。相同优先级的任务会连接在同一个就绪列表上。
• 阻塞列表：pxDelayedTaskList
• 挂起列表：xSuspendedTaskList

调度器总是在所有处于就绪列表的任务中，选择具有最高优先级的任务来执行。