刘火良 FreeRTOS内核实现与应用之13——内存管理、中断管理
采取和消息队列一样的学习方法，看书<==>记录问题<==>代码<==>看书<==>笔记的步骤。
内容来源于：
1. 野火：12. 内存管理 — [野火]FreeRTOS 内核实现与应用开发实战—基于RT1052 文档;
2. Mastering the FreeRTOS™ Real Time Kernel
内存管理
基本概念
FreeRTOS的V9.0.0版本为我们提供了5种内存管理算法，分别是heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c，源文件存放于FreeRTOSSourceportableMemMang路径下，在使用的时候选择 其中一个添加到我们的工程中去即可。
内存管理方案
FreeRTOS规定了内存管理的函数接口，具体见，但是不管其内部的内存管理方案是怎么实现的，所以，FreeRTOS可以提供多个内存管理方案，下面，就一起看看各个内存管理方案的区别。
void *pvPortMalloc( size_t xSize ); //内存申请函数void vPortFree( void *pv ); //内存释放函数void vPortInitialiseBlocks( void ); //初始化内存堆函数size_t xPortGetFreeHeapSize( void ); //获取当前未分配的内存堆大小size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void ); //获取未分配的内存堆历史最小值
1）对于heap_1.c、heap_2.c和heap_4.c这三种内存管理方案，内存堆实际上是一个很大的数组，定义为static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE]，而宏定义configTOTAL_HEAP_SIZE则表示系统管理内存大小，单位为字，在FreeRTOSConfig.h中由用户设定。
2）对于heap_3.c这种内存管理方案，它封装了C标准库中的malloc()和free()函数，封装后的malloc()和free()函数具备保护，可以安全在嵌入式系统中执行。因此，用户需要通过编译器或者启动文件设置堆空间。
3）heap_5.c方案允许用户使用多个非连续内存堆空间，每个内存堆的起始地址和大小由用户定义。这种应用其实还是很大的，比如做图形显示、GUI等，可能芯片内部的RAM是不够用户使用的，需要外部SDRAM，那这种内存管理方案则比较合适。
中断管理
区分中断优先级和任务优先级：
- 任务是软件功能，与硬件无关；任务的优先级由编程人员在软件中分配，软件算法（调度器）决定哪个任务将处于运行状态；
- 虽然是软件写的，但中断服务程序是硬件功能，硬件控制哪个中断服务程序运行，以及何时运行；
- 最低优先级的中断会中断最高优先级的任务，任务却没有办法抢占ISR（中断服务程序）;
基本概念
推迟中断处理
ISR尽量短小精悍（记录中断产生的原因，并清除中断），中断所需要的其他处理工作通常可以在任务中执行，从而使中断服务程序尽快退出，这就是所谓的“推迟中断处理”，因为将中断所需要处理的工作从ISR“推迟”到了任务。
将中断推迟给任务，允许编程人员相对于应用程序中的其他任务优先对待这些中断处理，而且能够使用全部的FreeRTOS API函数。
中断管理方案
重要的参数：xHigherPriorityTaskWoken
BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;
它是一个 变量类型为 BaseType_t（通常是 int类型的别名） 的参数，用于在中断服务程序（ISR）或某些特殊 API 中，通知系统是否有更高优先级的任务被唤醒，从而可能需要触发一次上下文切换（即任务切换）。
一、它主要用在什么地方？
1. 中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine）中；
2. 与某些 FreeRTOS FromISR**API 配合使用**
-
比如：
-
xQueueSendFromISR() -
xQueueReceiveFromISR() -
xSemaphoreGiveFromISR() -
xTaskNotifyFromISR() -
等等（很多带 FromISR 后缀的 API）
-
二、为什么要用 xHigherPriorityTaskWoken？
背景知识：
在 FreeRTOS 中，任务之间经常通过队列（Queue）、信号量（Semaphore）、事件组（Event Group）等通信机制来同步或传递数据。
但有时候，这些操作是在 中断（ISR）中发起的，比如：
-
一个外部中断发生了，传感器数据来了，你想 通过队列把数据发给任务去处理；
-
或者一个定时器中断触发，你要 释放一个信号量，唤醒等待的任务；
问题是：
🤔 如果中断里唤醒了一个任务，而这个任务的优先级比当前正在运行的任务还要高，那是不是应该立刻切换过去，让高优先级任务先运行？
👉 答案是：当然应该！但 FreeRTOS 不能自己随便切换任务，它需要你（开发者）告诉它：“嘿，我刚刚可能唤醒了一个高优先级任务，你看着办，可能需要任务切换！”
这就是 xHigherPriorityTaskWoken的作用！
三、xHigherPriorityTaskWoken的作用详解
📌 定义：
xHigherPriorityTaskWoken是一个标志变量，用于告诉 FreeRTOS：在当前 ISR 中，是否有一个比当前运行任务优先级更高的任务被唤醒了。如果是，FreeRTOS 可能需要在 ISR 结束时进行一次上下文切换（即任务切换）。
📌 通常的使用模式如下：
步骤 1：定义一个变量
BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;初始化为
pdFALSE，表示默认没有高优先级任务被唤醒。
步骤 2：在中断中调用带有 _FromISR 后缀的 API，并传入该变量
例如，通过队列向某个任务发送数据：
xQueueSendFromISR(xQueue, &data, &xHigherPriorityTaskWoken);这个函数会在 ISR 中尝试向队列发送数据，如果此时有任务在等待这个队列的数据，那么该任务会被唤醒。
-
如果 被唤醒的任务的优先级 > 当前正在运行的任务优先级，那么：
xHigherPriorityTaskWoken会被 API 内部设置为pdTRUE
步骤 3：判断是否需要触发上下文切换
在 ISR 的最后，你通常会调用：
portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);或者：
portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken == pdTRUE);这个宏会根据
xHigherPriorityTaskWoken的值决定是否立即进行一次 任务切换（上下文切换），让更高优先级的任务得以运行。
四、通俗理解（类比）
你可以把整个过程想象成：
🏢 你是一家公司的老板（当前运行的任务），突然来了一个电话（中断），电话那头说：“有紧急文件需要马上交给经理（更高优先级任务）处理！”
你（ISR）就把文件交给了经理，但经理的优先级比你高，他拿到文件后应该立刻去处理，而不是等你这个老板忙完。
所以你（ISR）就要告诉公司的调度员（FreeRTOS 内核）：“嘿，我刚刚叫经理来干活了，他比我还急，你最好现在就让他上场！”
👉 这个“提醒调度员”的动作，就是通过
xHigherPriorityTaskWoken+portYIELD_FROM_ISR() 实现的。
五 、关键点总结
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 变量名 |
|
| 作用 | 用于在中断（ISR）中，标识是否有更高优先级的任务被唤醒，从而可能需要任务切换 |
| 常用场景 | 在调用 _FromISR 类 API（如 |
| 初始值 | 通常初始化为 |
| API 是否会修改它？ | ✅ 是的，如果本次操作导致高优先级任务被唤醒，相关 FromISR API 会将其设为 |
| 如何使用它？ | 最后通过 |
| 为什么重要？ | 保证高优先级任务能够及时响应，提升系统的实时性与响应能力 |
| 如果不使用会怎样？ | 可能导致高优先级任务无法及时运行，降低系统实时性，甚至出现逻辑错误 |
六、补充：portYIELD_FROM_ISR()是什么？
它是一个 宏，定义在 FreeRTOS 的移植层（portmacro.h）中，其作用是：
根据传入的值决定是否触发一次上下文切换（即任务切换）
它最终可能会调用类似
portYIELD()的底层函数，具体行为依赖于硬件平台（如 Cortex-M 的 PendSV 机制）
你一般不需要关心它的内部实现，只需要：
portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);就可以了。
七、一句话记忆 🧠
xHigherPriorityTaskWoken就是中断里用来告诉 FreeRTOS：“我可能叫了个大佬（高优先级任务）来干活，你看着办要不要赶紧切换过去！” 的小旗子。
重要方法：用于同步的二进制信号量
可以把二进制信号量认为长度为1的队列一样，队列在任何时候只能最多包含一个数据项，要么空，要么满；
任务通过xSemaphoreTake()函数，接收推迟中断处理的任务，尝试从队列中读取数据项，该读取操作有阻塞时间，如果队列为空，则导致任务进入阻塞状态；
中断发生时，ISR调用xSemaphoreGiveFromISR() API函数将令牌（信号量）放入队列中，填满队列，这将导致任务退出阻塞状态并移除令牌，再次清空队列。
当任务完成处理后，再次尝试从队列中读取，结果发现队列为空，便重新进入阻塞状态，等待下一次操作：
重要方法：用于同步的计数信号量
可以把计数信号量认为是长度大于1的队列，任务对存储在队列中的数据不感兴趣——只对队列数据项的数量感兴趣；
每次“释放”计数信号量时，都会使用其队列的另一个空间；队列数据项的数量就是信号量的“计数”值；
1）计数事件
事件处理程序将在每次事件发生时“释放”信号量——导致信号量的计数值在每次“释放”时递增；任务将在每次处理事件时“获取”信号量——导致信号量的计数值在每次“获取”时递减；
2）资源管理
计数值可以表示可用资源的数量；为了获得对资源的控制权，任务必须先“获取”信号量——减少信号量的计数值，当计数值到0时，就没有可用资源了；
当使用完资源后，就会“释放”信号量——递增信号量的计数值；
重要方法：用于同步的队列
二进制和计数信号量用于事件通信，队列用于事件通信和数据传输；
推迟工作到RTOS守护任务
方法有两种：
1）可以为每个使用推迟处理技术的中断创建一个任务；
2）也可以采用“集中式推迟中断处理”方法，使用xTimerPendFunctionCallFromISR() API函数将中断处理推迟到RTOS守护任务——消除了为每一个中断创建单独任务的需求。
中断不同对时间限制的要求也不同，所以在同一个应用程序中，通常使用两种推迟中断处理方法。
xTimerPendFunctionCallFromISR()
xTimerPendFunctionCallFromISR()允许你在中断（ISR）中，“提交一个函数调用请求”，这个函数调用不会立即执行，而是被 FreeRTOS 挂起（pend），稍后由 一个后台的 Timer Service Task（定时器服务任务，也叫 Timer Daemon Task） 在 任务上下文中安全地执行它。
关键点总结
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 函数名 |
|
| 作用 | 允许你 在中断（ISR）中安全地提交一个函数调用请求，该调用会被 FreeRTOS 后台的 Timer Service Task（定时器守护任务）在任务上下文中执行 |
| 为什么有用？ | 为了 不在中断中执行复杂逻辑，而是把任务“推迟”到后台任务中安全地执行，同时还能传递参数 |
| 被调用的函数格式 | 必须是： |
| 参数传递 | 支持传递 1 个指针参数 + 1 个 uint32_t 参数 |
| 与哪个任务相关？ | 由 FreeRTOS 的 Timer Service Task（Timer Daemon Task） 执行，该任务在后台运行，负责调用你提交的函数 |
| 是否需要配置 Timer Task？ | ✅ 是的！你必须开启 |
xTimerPendFunctionCall()vs xTimerPendFunctionCallFromISR()
| 函数 | 调用场景 | 说明 |
|---|---|---|
| | 在任务中调用（非中断） | 功能一样，但是用于任务上下文 |
| | 在中断中调用（ISR） | 中断安全版本，用于从中断中延迟调用函数 |
什么时候使用它？
推荐在以下场景使用：
| 场景 | 是否推荐使用 |
|---|---|
| 在中断中接收到数据，想让任务去处理 | ✅ 推荐 ✅ |
| 在中断中想调用某个任务函数，但不想直接调用 | ✅ 推荐 ✅ |
| 想在中断里延迟执行某个逻辑，但不想阻塞或耗时 | ✅ 推荐 ✅ |
| 想通过函数指针机制，实现中断与任务间的解耦通信 | ✅ 推荐 ✅ |
| 你不想用队列，但又想传递函数+参数到任务 | ✅ 推荐（一种轻量级替代方案） |