FreeRTOS学习笔记—②RTOS的认识（持续更新中）

news2024/11/14 13:54:42

由于正在学习韦东山大佬的RTOS课程，结合了网上的一些资料，整理记录了下自己的感悟，用于以后自己的回顾。如有不对的地方请各位大佬纠正。
课程链接：https://www.bilibili.com/video/BV1844y1g7ud/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=c48fed208dddb3dfb2649420bfdd32d9

一、RTOS的优势【为啥学习RTOS】

①：确定性和实时性：
RTOS的最大特点是能够在严格的时间约束内完成任务。这种确定性对于时间敏感的应用（如工业控制、医疗设备等）至关重要。
②：优先级调度：
RTOS通常支持优先级调度机制，确保高优先级的任务可以抢占低优先级的任务执行。这种机制保证了关键任务能够在最短时间内得到处理。
③：低延迟和高响应性：
RTOS设计的目标是最小化任务切换时间和中断延迟，从而实现高响应性。这在需要快速反应的嵌入式系统中非常重要。
④：资源管理和内存控制：
RTOS通常提供精细的资源管理工具，允许开发者更好地控制内存和CPU资源的使用。这种控制对于嵌入式系统中的资源有限环境尤其重要。
⑤：模块化和灵活性：
RTOS通常具有模块化设计，允许开发者根据具体需求启用或禁用特定的功能模块。这种灵活性有助于优化系统性能和减少系统开销。
⑥：可靠性和稳定性：
RTOS被广泛应用于需要高可靠性和稳定性的系统中，例如自动驾驶、军事系统等。RTOS通过严格的测试和验证，确保其在各种边界情况下都能稳定运行。
⑦：较小的内存占用：
RTOS通常占用的内存和资源较少，这使得它非常适合嵌入式系统或其他资源受限的环境。

二、RTOS的核心功能

RTOS的核心功能块主要分为任务管理、内核管理、时间管理以及通信管理4部分，框架图如下所示：
（1）任务管理：负责管理和调度任务的执行，确保系统中的任务能够按照预期运行。
（2）内核管理：负责系统核心功能的管理，包括内存、中断、异常处理和系统启动等。
（3）时间管理：负责所有与时间相关的操作，包括系统时钟、定时器、任务延迟和周期性任务的执行。
（4）通信管理：提供任务之间的通信机制，确保任务能够有效地协作和共享资源。
在这里插入图片描述

2.1 任务管理

2.1.1 任务的创建

任务就是一个无返回的函数（Void）。由于函数传参的不同，一个函数可以创建多个任务，然后每个任务都有对应自身的栈，也就是说一个函数可以有多个栈（当然一个函数对应一个栈也是可以的）。使用下面的函数用于创建任务：

void TaskAFunction(void *param)
{
	int* tmp	= (int*) param;//首先将void *指针类型的param转为int *类型的指针 
	int value = *tmp;	       //然后解引用来获取指针指向的值
	while(1)
	{
		printf("%d",value);
	}
}

尽管是同一个函数，但是创建的多个任务主要不同还是在于传参而不是名字，下面的代码使用了相同的名字（“TaskA”）创建了三个参数不同的任务。

int x1=1;int x2=2;int x3=3;
int main( void )
{
	TaskHandle_t xHandleTask1;

#ifdef DEBUG
  debug();
#endif
	prvSetupHardware();
	printf("Hello, world!\r\n");
	xTaskCreate(TaskAFunction,"TaskA",100,&x1,1,NULL);
	xTaskCreate(TaskAFunction,"TaskA",100,&x2,1,NULL);
	xTaskCreate(TaskAFunction,"TaskA",100,&x3,1,NULL);
	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();
	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

在这里插入图片描述
2.1.1 xTaskCreate
上面使用的xTaskCreate是动态创建任务的，当然还有静态创建任务的函数xTaskCreateStatic，后面再提静态创建。下图为xTaskCreate函数的参数及介绍：

下图摘自韦东山的FreeRTOS完全开发手册3.2.2节

2.1.2 任务的删除

任务的删除使用如下函数，其中填入的参数如果是NULL表示自杀，如果是自己的句柄则是被杀，别人的句柄就是杀人。

void vTaskDelete( TaskHandle_t xTaskToDelete );

基础实验如下，在vTask1任务中嵌套vTask2任务的创建，并vTask2任务中进行自杀，所以xTask2Handle设置为NULL。

TaskHandle_t xTask2Handle = NULL;
void vTask1( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xDelay100ms = pdMS_TO_TICKS( 100UL );//100ms的延时
	BaseType_t ret;
	/* 任务函数的主体一般都是无限循环 */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任务1的信息 */
		printf("Task1 is running\r\n");
		ret = xTaskCreate( vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 2, &xTask2Handle );
		if (ret != pdPASS)//判断vTask2是否创建成功，一般pdPASS默认为1
			printf("Create Task2 Failed\r\n");
		vTaskDelay( xDelay100ms );
	}
}

void vTask2( void *pvParameters )
{
	/* 打印任务的信息 */
	printf("Task2 is running and about to delete itself\r\n");
	// 可以直接传入参数NULL，进行“自杀”
	vTaskDelete(xTask2Handle);
}

int main( void )
{
#ifdef DEBUG
  debug();
#endif
	prvSetupHardware();
	xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, NULL);
	/* Start the scheduler. */
	vTaskStartScheduler();
	/* Will only get here if there was not enough heap space to create the
	idle task. */
	return 0;
}

其中vTask2任务的优先级为2，高于vTask1的优先级1（这里是数字大优先级高）。实验结果如下，实现现象为首先打印vTask1的printf，然后执行优先级高的vTask2。然后vTask2会打印自身内容并进行自杀退出vTask2循环中，最后又回到vTask1这样来回交替循环。
在这里插入图片描述
其中vTaskDelay( xDelay100ms );的作用在于保证在Idle任务时有时间执行来保证释放创建任务vTask2时分配的内存。如果没有这一行的延时会导致释放vTask2的内存失败而导致内存耗尽，最终导致无法创建新的任务。删除vTaskDelay( xDelay100ms );的结果如下：
在这里插入图片描述

2.2 内存管理

源码中对应了5种内存管理的方法，如下所示。不过在了解这5种方式前，需要对TCB和Stack有个认识。
（1）TCB：即任务控制块，是操作系统用来管理每个任务的信息结构体。每个任务（或线程）在RTOS中都会有一个对应的TCB。TCB中存储了任务的所有关键信息，用于操作系统对任务的调度、状态管理和上下文切换。通常TCB包含如①任务ID：每个任务的唯一标识符。②任务状态：例如就绪、运行、阻塞、挂起等状态。③程序计数器（PC）：保存任务执行的当前指令位置。④寄存器状态：保存任务执行时CPU的寄存器值。⑤任务优先级：用于任务调度中的优先级信息。⑥任务栈指针：指向任务的栈空间，保存任务的栈信息。⑦任务上下文信息：保存任务切换时的上下文信息，如寄存器内容等。
（2）Stack：即栈，是每个任务用来存储其运行时局部变量、函数调用链和返回地址等信息的内存空间。对于RTOS，每个任务通常都有自己独立的栈空间，这样可以确保任务之间的执行互不干扰。在这里插入图片描述