FreeRTOS实时操作系统学习笔记
一 RTOS入门
1.1 裸机与RTOS介绍（了解）
裸机编程是指在嵌入式系统中，直接在硬件上运行代码，没有操作系统的支持。这种方式下，开发者需要完全掌握硬件资源，包括时钟、中断、外设等。任务调度和资源管理都由开发者手动管理。这就像手动操纵一辆汽车，想开车从城市A到城市B，你需要了解汽车的每个部件，掌握如何驾驶，包括油门、刹车、方向盘等。你需要手动决定何时加速、何时刹车、何时转弯。这就好比裸机编程，开发者需要亲自管理每个硬件资源，编写所有的控制逻辑。
RTOS 全称是 Real Time Operating System，中文名就是实时操作系统，提供了任务调度、内存管理、中断处理等功能。RTOS能够让开发者更专注于应用层的开发，而不用亲自管理底层硬件资源。想从城市A到城市B，你可以选择坐出租车。在出租车上，你只需要告诉司机目的地，不用亲自操纵汽车的每个部分。司机会负责加速、刹车、转弯等操作。这就好比使用RTOS，开发者只需定义任务、调度和数据通信，RTOS会负责底层管理。
总的来说，裸机编程就像是自己开车，而使用RTOS则像是坐出租车，更专注于目的地而非具体的驾驶操作。
- 任务调度：裸机编程需要手动调度任务，而RTOS提供自动的任务调度器。
- 硬件管理：裸机编程需要开发者手动管理硬件资源，RTOS提供了抽象接口，简化了硬件管理。
- 复杂性：裸机编程相对较复杂，需要深入了解硬件细节。RTOS提供了更高层次的抽象，简化了开发流程。
1.2 FreeRTOS简介（了解）
RTOS是指一类系统，如 FreeRTOS，uC/OS，RTX，RT-Thread 等，都是 RTOS 类操作系统。
1.2.1 FreeRTOS优势
FreeRTOS是一款受欢迎、广泛应用于嵌入式系统的RTOS，其开源、轻量级、可移植的特点使其成为许多嵌入式开发者的首选，主要优势如下：
- 开源和免费：FreeRTOS是一款开源的RTOS，采用MIT许可证发布，可以免费使用、修改和分发。
- 轻量级设计：FreeRTOS注重轻量级设计，适用于资源受限的嵌入式系统，不占用过多内存和处理器资源。
- 广泛应用：FreeRTOS在嵌入式领域得到广泛应用，包括工业自动化、医疗设备、消费电子产品、汽车电子等。
- 多平台支持：FreeRTOS的设计注重可移植性，可以轻松地移植到不同的硬件平台，支持多种处理器架构。
- 丰富的功能：提供了多任务调度、任务通信、同步等功能，适用于复杂的嵌入式应用场景。
1.2.2 FreeRTOS介绍
官网：FreeRTOS™ - FreeRTOS™，并且支持中文。
- 任务调度：FreeRTOS通过任务调度器管理多个任务，支持不同优先级的任务，实现任务的有序执行。
- 任务通信和同步：提供了队列、信号量等机制，支持任务之间的通信和同步，确保数据的安全传递。
- 内存管理：提供简单的内存管理机制，适用于嵌入式环境，有效利用有限的内存资源。
- 定时器和中断处理：支持定时器功能，能够处理中断，提供了可靠的实时性能。
- 开发社区：拥有庞大的用户社区，开发者可以在社区中获取支持、解决问题，并分享经验。
- 可移植性：设计注重可移植性，可以轻松地移植到不同的硬件平台，提高了代码的重用性。
二 FreeRTOS基础介绍
2.1 任务调度简介（熟悉）
一个处理器核心在某一时刻只能运行一个任务，如果在各个任务之间迅速切换，这样看起来就像多个任务在同时运行。操作系统中任务调度器的责任就是决定在某一时刻要执行哪个任务。
FreeRTOS使用基于优先级的抢占式任务调度策略。
- 抢占式调度：FreeRTOS采用抢占式调度方式，允许更高优先级的任务在任何时刻抢占正在执行的低优先级任务。这确保了高优先级任务能够及时响应，并提高了系统的实时性。
- 时间片轮转：在相同优先级的任务之间，FreeRTOS采用时间片轮转策略。每个任务执行一个时间片（一个时间片大小，取决为滴答定时器中断频率），如果有其他同优先级的任务等待执行，则切换到下一个任务。这有助于公平地分配CPU时间。
但是并不是说高优先级的任务会一直执行，导致低优先级的任务无法得到执行。如果高优先级任务等待某个资源（延时或等待信号量等）而无法执行，调度器会选择执行其他就绪的高优先级的任务。
任务优先级相同的，按时间片调度，每个任务执行一个时间片（一次系统时钟中断）
任务执行不足一个时间片（或阻塞），没有用完的时间片不会再使用。
2.2 任务状态（熟悉）
FreeRTOS中任务共存在4种状态：
- 运行态：当任务实际执行时，它被称为处于运行状态。如果运行 RTOS 的处理器只有一个内核， 那么在任何给定时间内都只能有一个任务处于运行状态。注意在STM32中，同一时间仅一个任务处于运行态。
- 就绪态：准备就绪任务指那些能够执行（它们不处于阻塞或挂起状态）， 但目前没有执行的任务， 因为同等或更高优先级的不同任务已经处于运行状态。
- 阻塞态：如果任务当前正在等待延时或外部事件，则该任务被认为处于阻塞状态。
- 挂起态：类似暂停，调用函数 vTaskSuspend() 进入挂起态，需要调用解挂函数vTaskResume()才可以进入就绪态。
只有就绪态可转变成运行态，其他状态的任务想运行，必须先转变成就绪态。转换关系如下：
这四种状态中，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：pxReadyTasksLists[x]，其中x代表任务优先级数值。
- 阻塞列表：pxDelayedTaskList。
- 挂起列表：xSuspendedTaskList。
列表类似于链表
以就绪列表为例。如果在32位的硬件中，会保存一个32位的变量，代表0-31的优先级。当某个位，置一时，代表所对应的优先级就绪列表有任务存在。
如果有多个任务优先级相同，会连接在同一个就绪列表上：
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。