FreeRTOS 入门知识

什么是FreeRTOS

FreeRTOS 是一个轻量级的实时操作系统（RTOS），由 Richard Barry 在 2003 年开发，并且由亚马逊的 FreeRTOS 项目（一个由 Amazon Web Services (AWS) 支持的开源项目）进一步推动和发展。FreeRTOS 专为嵌入式系统而设计，旨在提供任务管理、时间管理、同步（信号量、互斥锁等）、内存管理等功能，同时保持非常小的资源占用（包括RAM和ROM）。

FreeRTOS 的特点：

轻量级：FreeRTOS 的内核代码非常精简，可以在非常有限的资源（如几KB的RAM和ROM）上运行。
可配置：用户可以根据需要配置FreeRTOS，只包含所需的功能，从而进一步减少资源占用。
跨平台：FreeRTOS 支持多种微控制器和处理器架构，包括 ARM Cortex-M、PIC、AVR、ESP32 等。
实时性：FreeRTOS 提供了基于优先级的任务调度，确保高优先级任务能够尽快得到执行，满足实时性要求。
丰富的功能：除了基本的任务调度和同步机制外，FreeRTOS 还提供了队列、定时器、事件标志组等高级功能。
易于使用：FreeRTOS 的API设计直观，易于学习和使用，同时提供了丰富的文档和示例代码。

应用场景：

FreeRTOS 广泛应用于各种嵌入式系统中，包括但不限于工业自动化、医疗设备、消费电子、汽车电子、无人机等领域。在这些应用中，FreeRTOS 的实时性和资源效率是关键因素，使得开发者能够构建出高效、可靠的嵌入式系统。

与其他RTOS的比较：

与其他实时操作系统相比，FreeRTOS 的主要优势在于其轻量级和可配置性。然而，它也可能在功能丰富性和社区支持方面不如一些商业RTOS。因此，在选择RTOS时，需要根据具体的应用需求和资源限制进行权衡。

总之，FreeRTOS 是一个功能强大、易于使用且资源占用极低的实时操作系统，非常适合用于资源受限的嵌入式系统开发。

FreeRTOS和STM32的区别

STM32不是裸机

FreeRTOS和STM32在嵌入式系统开发中扮演着不同的角色，它们之间存在明显的区别，主要体现在以下几个方面：

定义与性质

FreeRTOS：

定义：FreeRTOS是一个免费和开源的实时操作系统内核，专为嵌入式系统设计。
性质：FreeRTOS是一个软件层面的解决方案，提供了一套用于任务管理、调度、同步和通信等功能的API。

STM32：

定义：STM32是意法半导体公司推出的一款基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器系列。
性质：STM32 是一个硬件层面的产品，是一个集成了处理器核心、内存、接口和其他外设等功能的微处理器单元（MPU）。

功能与用途

FreeRTOS：
- 功能：提供任务管理、时间管理、内存管理和通信机制等内核功能。
- 用途：在嵌入式系统中实现多任务环境，管理多个独立功能的任务，提高系统的稳定性和效率。
STM32：
- 功能：提供高性能、低功耗的计算能力，以及丰富的外设支持（如ADC、DAC、UART、SPI、I2C等）。
- 用途：作为嵌入式系统的核心处理器，负责执行程序代码，控制外设，实现各种应用需求。

关系与配合

关系：

FreeRTOS可以运行在STM32等微控制器上，利用STM32提供的硬件资源来执行任务调度、同步和通信等功能。

配合：

在嵌入式系统开发中，STM32作为硬件平台，FreeRTOS作为软件框架，两者相互配合，共同实现系统的功能需求。

总的来说

FreeRTOS和STM32在嵌入式系统开发中各有其独特的角色和用途。FreeRTOS作为软件层面的实时操作系统内核，提供了丰富的任务管理和同步通信功能；而STM32作为硬件层面的微控制器系列，提供了高性能、低功耗的计算能力和丰富的外设支持。在实际开发中，两者相互配合，共同构建出稳定、高效的嵌入式系统。

任务调度

抢占式调度（Preemptive Scheduling）

定义：

抢占式调度是一种基于任务优先级的调度方式。主要是针对优先级不同的任务，每个任务都有一个优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。

当一个高优先级任务变为就绪状态时（例如，等待的事件发生或中断服务程序更改了任务优先级），调度器会暂停当前正在执行的低优先级任务，并将CPU控制权转交给高优先级任务。

这种调度方式确保了紧急任务能够得到及时响应，提高了系统的实时性。

优点：适用于实时性要求高的系统，能够确保高优先级任务及时响应。

缺点：上下文切换的开销较大，可能会影响系统的性能。

图解

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（Time-Slicing Scheduling）

定义：

时间片调度是一种特殊的抢占式调度方式。它将CPU时间划分为固定长度的时间片，每个任务在一个时间片内运行。主要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次系统时钟节拍到的时候切换任务。

当一个时间片结束时，无论任务是否完成，都会发生上下文切换，将CPU控制权转交给下一个任务（通常是具有相同优先级的下一个任务）。这种调度方式确保了每个任务都有机会在公平的时间段内运行，避免了某个任务长时间占用CPU。

优点：适用于多个任务优先级相近的场景，可以实现相对公平的CPU时间分配。防止了某个任务长时间占用CPU，保证了其他任务也有机会执行。

缺点：降低了系统的实时性（与抢占式调度相比）。

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

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，下次任务Task3得到执行还是按照一个时间片的时钟节拍运行

协作式调度（Cooperative Scheduling）

定义：

协作式调度依赖于任务自行释放CPU控制权。在协作式调度中，一旦一个任务开始执行，它将持续运行直到自己主动放弃CPU（如通过调用特定的函数）或进入阻塞状态（如等待事件或资源）。

当前执行任务将会一直运行，同时高优先级的任务不会抢占低优先级任务 FreeRTOS现在虽然还支持，但是官方已经表示不再更新协程式调度

任务状态

运行态（Running）

正在执行的任务，该任务就处于运行态，注意在STM32中，同一时间仅一个任务处于运行态。任务具有CPU的控制权，正在执行其任务函数中的代码。

就绪态（Ready）

如果该任务已经能够被执行，但当前还未被执行，那么该任务处于就绪态。当所有更高优先级的任务都执行完毕或CPU空闲时，就绪态的任务将被调度执行。

阻塞态（Blocked）

任务在等待某个外部事件（如信号量、消息队列、事件组、系统延时等）时，无法继续执行，此时的状态被称为阻塞态。任务因为等待某个资源或事件而无法继续执行。

当等待的事件到达或超时时间结束时，任务将自动退出阻塞态，并进入就绪态，准备再次被调度执行。

挂起态（Suspended）

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。任务被挂起后，不会占用CPU资源，也不会被调度器调用执行。

总的来说

仅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

FreeRTOS的四种任务状态（运行态、就绪态、阻塞态、挂起态）共同构成了任务调度和管理的基础。这些状态之间的转换遵循一定的规则和逻辑，确保了任务能够按照预定的规则进行切换和执行，从而实现了实时操作系统的高效性和可靠性。在FreeRTOS中，任务的状态管理是通过调度器来实现的，调度器会根据任务的优先级和状态来决定哪个任务应该被执行。