FreeRtos面试问题合集
1.移植RTOS基本步骤，如何调整RTOS的配置适应不同的MCU
通过 FreeRTOSConfig.h 配置系统功能，如任务优先级、调度策略和滴答定时器频率。
移植时需根据硬件平台选择合适的内存管理方案。
2.如何实现消息队列机制
创建消息队列时FreeRTOS会先给消息队列分配一块内存空间，这块内存的大小等于消息队列控制块大小加上（单个消息空间大小与消息队列长度的乘积），接着再初始化消息队列，此时消息队列为空。
- 如果队列未满或者允许覆盖入队，FreeRTOS会将消息拷贝到消息队列队尾
- （队列已满），会根据用户指定的阻塞超时时间进行阻塞
在某个任务对它读写操作的时候，必须保证该任务能正常完成读写操作，而不受后来的任务干扰
每个对消息队列读写的函数，都有这种机制，我称之为阻塞机制。在读队列时，任务没有获取到队列信息，有可能会阻塞有可能直接掉头执行其他（看配置）；在写队列时，没有入队空间可阻塞也不可；发送消息的上下文环境是在中断中，不允许有阻塞的情况。
FreeRTOS的消息队列控制块由多个元素组成（发送消息阻塞列表；接收消息阻塞列表）
3.如何实现任务优先级动态调整
FreeRTOS 提供了 vTaskPrioritySet(目标任务的句柄，新的优先级) 函数用于动态修改任务的优先级；
vTaskPrioritySet() 的核心逻辑是修改任务 TCB 中的优先级参数，并触发调度器重新调度
4.什么是RTOS，用在那些领域？
RTOS，即实时操作系统（Real-Time Operating System），是一种专门为实时应用设计的操作系统。它旨在满足严格的时限要求，确保在限定的时间内完成任务，并对外部事件作出响应。RTOS在嵌入式系统开发中非常重要，广泛应用于各种需要高可靠性和精确时间控制的场景中。
RTOS的特点
- 及时响应：RTOS能够保证在预定的时间内对外部事件作出响应，这是其最核心的特点。
- 任务调度：RTOS提供了高效的调度算法来管理多个任务（线程）的执行顺序，以满足系统的实时性要求。
- 优先级继承：当一个低优先级的任务由于持有共享资源而阻止了高优先级任务的运行时，RTOS可以通过优先级继承机制来避免优先级反转现象。
- 中断处理：RTOS能够快速响应中断请求，并保证中断服务程序的执行不会干扰实时任务的正常运行。
- 内存管理：RTOS通常提供轻量级的内存管理机制，以满足嵌入式系统的资源限制。
- 低功耗模式支持：许多RTOS支持低功耗模式，以延长电池供电设备的工作时间。
- 可移植性：RTOS通常设计为高度可移植的，以便可以在不同的硬件平台上运行。
用在工业自动化，航天，汽车电子，智能家居，医疗电子等
5.上下文切换
上下文切换是指CPU从执行一个任务切换到执行另一个任务的过程
保存当前任务的上下文：寄存器、栈指针、程序计数器等
选择下一个要运行的任务：调度器决策
恢复新任务的上下文：加载新任务的寄存器状态
跳转到新任务执行：更新程序计数器
freertos中硬件会自动保存一部分栈；R0-R3;LR;PC；R12硬件自动保存；手动保存R4-11；
FreeRTOS使用PendSV中断来实现上下文切换：获取当前栈指针；保存寄存器；获取下一个任务栈指针；更新栈指针- 屏蔽中断 - 调用任务切换函数 - 恢复中断 - 获取新任务的TCB - 获取新任务的栈顶指针 - 更新进程栈指针-*返回，硬件自动恢复其他寄存器
6.优先级调度与时间片轮转的实现原理
优先级调度：为每个任务分配一个优先级，调度器始终选择 “就绪态中优先级最高的任务” 执行
调度器每次执行时，会从最高优先级的非空就绪链表中，选择一个任务进行执行；当高优先级任务从 “阻塞态” 转为 “就绪态”，调度器会立即暂停当前运行的低优先级任务，切换到高优先级任务执行（抢占式调度）。
时间片轮转的核心思想是：对相同优先级的就绪任务，按 “时间片” 轮流分配 CPU 资源，每个任务执行一段固定时间后，主动让出 CPU 给同优先级的下一个任务，保证公平性。
7.空白函数与钩子函数
FreeRTOS 调度器开启后，至少要有一个任务处于运行态。FreeRTO在调用vTaskStartScheduler()函数开启调度器时，会自动创建一个空闲任务。拥有最低优先级（优先级0)
空闲任务的主要功能如下：
（1）释放内存。如果有任务删除了自身，被删除任务的TCB 和堆栈资源会在空闲任务中释放，但用户自己分配的资源需要手动回收。
（2）处理空闲优先级任务。当采用抢占式调度方式时，如果有用户任务与空闲任务共享一个优先级，空闲任务可以不必等到时间片耗尽就进行任务切换。当没有采用抢占式调度方式时，空闲任务总是调用taskYIELD()函数试图切换用户任务，以确保能最快响应用户任务。
（3）执行空闲任务钩子函数。这个函数由用户实现，但FreeRTOS规定了函数的名称和参数，同时需要将宏configUSE_IDLE_HOOK设置为1。
（4）实现低功耗 tickless 模式。FreeRTOS的tickless模式会在空闲周期停止嘀嗒定时器，从而让微控制器长时间处于低功耗模式。移植层需要配置外部唤醒中断，当唤醒事体到来时，将微控制器从低功耗模式唤醒。微控制器被唤醒后，要重新使能嘀嗒定时器。
Tick钩子函数（Tick Hook）；内存分配失败钩子函数（Malloc Failed Hook）
8.什么是任务堆栈大小，如何确定
任务堆栈大小是为每个任务独立分配的内存空间的大小，用以保存局部变量，寄存器状态等
任务堆栈大小取决：函数调用深度，局部变量的大小，上下文切换的寄存器开销，中断服务程序（ISR）的堆栈使用
手动计算，使用计算堆栈大小函数或者编译工具
9.任务同步方式
- 队列：可进行数据传递
- 信号量：二值信号量：实现共享资源的访问计数信号量：实现生产者和消费者
- 互斥量：实现共享资源的访问
- 事件组：等待多个任务通知
- 任务通知：一种轻量级任务同步方式（任务控制块TCB）不需要创建就可使用；一对一通信
10.FreeRTOS的5种内存管理方法
heap_1.c 分配简单，时间确定 只分配、不回收
heap_2.c 动态分配、最佳匹配 碎片、时间不定
heap_3.c 调用标准库函数 速度慢、时间不定
heap_4.c 相邻空闲内存可合并 可解决碎片问题、时间不定
heap_5.c 在heap_4基础上支持分隔的内存块 可解决碎片问题、时间不定
Heap_1：如果我们的程序不需要删除内核对象（定义一个大数组，从数组中分配对象）
Heap_2：不会合并相邻的空闲内存，所以Heap_2会导致严重的"碎片化"问题。（如果申请、分配内存时大小总是相同的）
Heap_3 ：使用标准 C 库里的 malloc、free 函数，所以堆大小由链接器的配置决定
Heap_4 ：跟 Heap_1、Heap_2 一样，Heap_4 也是使用大数组来分配内存。会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存，这有助于较少内存的碎片问题。
Heap_5：相比于Heap_4，Heap_5并不局限于管理一个大数组：它可以管理多块、分隔开的内存。在嵌入式系统中，内存的地址可能并不连续，这种场景下可以使用Heap_5。
11.内核基本组成有哪些
整个系统由四个主要部分构成：内核、任务管理、内存管理和通信机制。
内核是整个系统的核心，负责实现基本的操作系统功能（调度器为核心）；任务管理负责多任务的创建、调度和删除；内存管理负责系统内存的分配和回收；通信机制则提供任务间的数据交换和同步功能。
12.如何实现任务延时机制
相对延时函数 vTaskDelay( 指定任务需要延时的 系统时钟节拍数（Ticks）)
- 原理：通过指定系统时钟节拍（Tick）的数量来实现延时，任务会进入阻塞状态，直到延时结束后才会重新进入就绪态。
- 特点：延时时间基于系统启动后的累计时钟节拍，属于相对时间（与任务启动时间相关）。
绝对延时函数 vTaskDelayUntil( 上一次唤醒的系统节拍值，指定任务执行的 节拍数)
- 原理：通过记录任务上一次唤醒的绝对时间点，并结合固定的时间增量，确保任务以精确的周期执行（如周期性定时任务）。
- 特点：延时时间基于绝对时间点，可实现周期性任务的精确调度，避免累计误差。
- 注意：绝对延时的时间包括了当前任务的执行时间，延时时间，高优先级任务执行时间。
FreeRTOS 延时函数的核心实现依赖于系统时钟与 SysTick 中断；相对延时的任务阻塞与调度；绝对延时的时间戳机制
- 这两个函数 不能在中断服务程序（ISR）中使用，ISR中需使用带
FromISR后缀的版本（如vTaskDelayUntilFromISR()）。
13.避免内存泄漏
1. 选择合适的内存管理方案
1.避免 heap_1（无法释放内存），如果需要动态释放，建议使用 heap_4 或 heap_5。
2.heap_3 依赖 C 库的 malloc/free，可能会带来碎片化问题，需要注意管理。
2. 确保正确释放动态分配的资源
1.调用 vTaskDelete() 删除任务后，确保删除任务使用的 动态内存（如 pvPortMalloc() 分配的内存）也被释放。
2. vQueueDelete() 释放队列，vSemaphoreDelete() 释放信号量和互斥量，避免资源泄漏。
3. 避免内存碎片化
1.采用 固定大小的内存块，减少频繁的分配和释放（heap_4 会自动整理碎片）。
2.预先分配任务栈、消息队列等资源，避免运行时频繁申请/释放。
4. 使用 FreeRTOS 内存管理 API
1.pvPortMalloc() 和 vPortFree() 替代标准的 malloc/free，保证内存分配可控。
2.xPortGetFreeHeapSize() 监测剩余堆空间，xPortGetMinimumEverFreeHeapSize() 获取最低历史可用堆大小，以检查内存使用情况。
5. 使用 configASSERT() 捕获错误
1.配置 configASSERT() 以捕获任务栈溢出、非法访问等问题。
2.启用 configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW，可自动检测任务栈溢出。
6. 使用 uxTaskGetStackHighWaterMark() 监测任务栈
1.定期调用 uxTaskGetStackHighWaterMark() 检查最小剩余栈空间，避免任务栈溢出导致未定义行为。
7. 避免创建未使用的任务和资源
1.定期检查 vTaskList() 输出的任务状态，找出是否有长期空闲但未释放的任务。
2.确保不重复创建队列、信号量、定时器等对象，否则会导致泄漏。
8. 启用 FreeRTOS 运行时内存统计
1.通过 vTaskGetRunTimeStats() 或 vTaskList() 分析任务的资源占用情况。
2.结合 heap_4 机制，利用 xPortGetMinimumEverFreeHeapSize() 监测堆的最小剩余空间，判断是否有内存泄漏。
总结：选择合适的内存管理策略、确保正确释放资源、定期监测内存使用情况，并使用 FreeRTOS 提供的 API 进行调试，是避免内存泄漏的关键。
14.如何优化 FreeRTOS 的性能？
1. 减少中断延迟
中断优先级配置：在 FreeRTOS 中，中断优先级直接影响任务的调度。确保 FreeRTOS 内核的最大中断优先级低于系统的中断优先级，以避免中断中断内核操作。
中断服务例程（ISR）优化：在 ISR 中避免执行复杂的操作，将大部分处理推迟到任务中。尽量保持 ISR 执行时间短。
2. 任务调度优化
任务优先级设计：合理设置任务的优先级，避免任务饥饿。通过优先级反转控制机制（如使用 FreeRTOS 的优先级继承机制）避免低优先级任务占用高优先级任务资源。
简化任务栈：减小任务栈的大小，避免分配过多内存给任务栈。可以使用 FreeRTOS 提供的 configSTACK_DEPTH_TYPE 来调整任务栈的深度。
3. 内存管理优化
堆内存分配优化：选择合适的内存分配器（如 heap_4.c 或 heap_5.c）。一些内存分配器（如 heap_1.c）提供简单且快速的内存分配，但功能有限。对于更复杂的内存管理需求，可以选择更高效的分配策略。
避免动态内存分配：尽量避免在任务执行过程中动态分配内存，尤其是实时性要求高的任务，建议使用静态内存分配。
4. 定时器优化
时间片和Tick频率调节：根据实际需求调整系统时钟频率（configTICK_RATE_HZ）。较低的 Tick 频率可能会降低调度的频率，但也能减少系统的运行开销。高频率的 Tick 可能带来较高的调度频率，但也会增加 CPU 占用。
定时器合并：如果多个任务依赖于定时器，可以通过合并多个定时器事件来减少中断次数。
5. 优化任务切换
任务切换时间优化：通过调整任务切换的上下文保存和恢复的实现，减少任务切换的开销。合理设计任务的 CPU 占用时间，避免过于频繁的上下文切换。
使用协作调度：如果不需要严格的实时性，考虑使用协作调度（如任务主动放弃 CPU 使用时间）。这将减少任务切换的频率。
6. 使用轻量级同步机制
避免使用较重的同步机制：使用 binary semaphore 或 mutex 时，要避免不必要的加锁和解锁，特别是在实时要求较高的情况下。可以考虑使用基于信号量的轻量级同步机制来避免占用过多的 CPU 时间。
使用任务通知机制：任务通知（task notifications）是 FreeRTOS 提供的高效同步机制，能显著降低内存占用并提高效率。
7. 使用断点调试
分析瓶颈：使用 FreeRTOS 提供的性能分析工具，来查找任务、定时器、中断等方面的性能瓶颈。
调试工具：通过 JTAG 或 SWD 等调试接口，查看系统中断频率、任务切换频率等信息，分析任务执行和资源使用情况，进一步优化代码。
8. 优化系统中断
减少中断服务程序（ISR）的时间：在 ISR 中避免长时间运行的操作，把复杂的操作延迟到任务中处理。
减少中断的数量和频率：降低频繁中断的来源，减少 ISR 的负担，从而提高系统效率
15.FreeRTOS 的启动流程。
1.初始化调度器
2.启动调度器
3.创建空闲任务
4.开启任务的调度
如何调试 FreeRTOS 中的任务？
如何监控任务的运行状态？