STM32 - FreeRTOS操作系统

一句话记住 FreeRTOS：”让单片机能像电脑一样同时做多件事，而且不乱套！”

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一款免费的、开源的实时操作系统（RTOS），专门为嵌入式系统（如STM32、ESP32等单片机）设计。它就像嵌入式设备的”小管家”，负责管理多个任务（Task），让它们有条不紊地运行，避免混乱。

FreeRTOS 的作用：

  1. 让多个任务”同时”运行（实际上是快速切换，看起来像同时运行）
  2. 确保关键任务优先执行（比如紧急报警比屏幕刷新更重要，也就是优先级）
  3. 避免代码”卡死”（如果一个任务出问题，其他任务还能继续运行）

FreeRTOS 的核心概念：

FreeRTOS1

FreeRTOS 任务状态的概念：

  1. 就绪态（ Ready）：该任务在就绪列表中， 就绪的任务已经具备执行的能力，只等待调度器进行调度，新创建的任务会初始化为就绪态。
  2. 运行态（Running）：该状态表明任务正在执行， 此时它占用处理器， FreeRTOS 调度器选择运行的永远是处于最高优先级的就绪态任务，当任务被运行的一刻，它的任务状态就变成了运行态。
  3. 阻塞态（Blocked）： 如果任务当前正在等待某个时序或外部中断，我们就说这个任务处于阻塞状态，该任务不在就绪列表中。包含任务被挂起、 任务被延时、任务正在等待信号量、读写队列或者等待读写事件等。
  4. 挂起态(Suspended)： 处于挂起态的任务对调度器而言是不可见的， 让一个任务进入挂起状态的唯一办法就是调用vTaskSuspend()函数；而把一个挂起状态的任务恢复的唯一途径就是调用vTaskResume()或vTaskResumeFromISR()函数，我们可以这么理解挂起态与阻塞态的区别，当任务有较长的时间不允许运行的时候，我们可以挂起任务，这样子调度器就不会管这个任务的任何信息，直到我们调用恢复任务的 API 函数；而任务处于阻塞态的时候，系统还需要判断阻塞态的任务是否超时，是否可以解除阻塞。

FreeRTOS 任务状态的变化 ：

FreeRTOS2

  • ①创建任务→就绪态（Ready）：任务创建完成后进入就绪态，表明任务已准备就绪，随时可以运行，只等待调度器进行调度。
  • ②就绪态→运行态（Running）：发生任务切换时， 就绪列表中最高优先级的任务被执行，从而进入运行态。
  • ③运行态→就绪态：有更高优先级任务创建或者恢复后，会发生任务调度， 此刻就绪列表中最高优先级任务变为运行态，那么原先运行的任务由运行态变为就绪态， 依然在就绪列表中，等待最高优先级的任务运行完毕继续运行原来的任务（此处可以看做是 CPU使用权被更高优先级的任务抢占了）。
  • ④运行态→阻塞态（ Blocked）：正在运行的任务发生阻塞（挂起、延时、 读信号量等待）时，该任务会从就绪列表中删除，任务状态由运行态变成阻塞态，然后发生任务切换，运行就绪列表中当前最高优先级任务。
  • ⑤阻塞态→就绪态：阻塞的任务被恢复后（任务恢复、延时时间超时、读信号量超时或读到信号量等），此时被恢复的任务会被加入就绪列表，从而由阻塞态变成就绪态；如果此时被恢复任务的优先级高于正在运行任务的优先级，则会发生任务切换， 将该任务将再次转换任务状态，由就绪态变成运行态。
  • ⑥⑦⑧就绪态、阻塞态、运行态→挂起态（ Suspended）：任务可以通过调用vTaskSuspend() API 函数都可以将处于任何状态的任务挂起，被挂起的任务得不到 CPU的使用权，也不会参与调度，除非它从挂起态中解除。
  • ⑨挂起态→就绪态： 把 一 个 挂 起 状态 的 任 务 恢复的 唯 一 途 径 就 是调用 vTaskResume() 或 vTaskResumeFromISR() API 函数，如果此时被恢复任务的优先级高于正在运行任务的优先级，则会发生任务切换，该任务将再次转换任务状态，由就绪态变成运行态。

FreeRTOS 就绪列表的原理：

  1. 是一个链表数组， 每个成员都是一条链表，每个节点都是一个任务。
  2. 任务优先级默认为5，最大256

临界保护：

  1. 在临界保护区域的代码，不会被其它任务打断，能够确保程序正常执行完成，但是要记着在程序执行完之后，要退出临界保护
  2. 临界保护有四个函数，两种状态：
  • 任务间的临界保护：taskENTER_CRITICAL和taskEXIT_CRITICAL，防止多个任务同时访问共享资源，通过 暂时禁止任务调度（但不关闭中断），确保当前任务独占资源。
  • 中断间的临界保护：taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR和taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR ，防止 中断服务程序（ISR）与任务 或 不同优先级中断 同时访问共享资源，通过 关闭中断 或 提升中断屏蔽优先级，确保当前代码段不被中断打断。

消息队列：

  1. 队列是任务到任务、任务到中断、中断到任务数据交流的一种机制（消息传递）。任务和ISR（中断服务程序）统称为进程，任务与任务之间，或任务与ISR之间有时需要进行通讯或同步，称为进程间通信。

  2. 特点：

    FreeRTOS3

    • 入队阻塞：队列满了，此时无法继续写入数据
    • 出队阻塞：队列为空，此时无法读出数据
    • 入队阻塞解除，有多个任务等待时，哪一个会进入就绪态：
      • 优先级最高的任务
      • 如果优先级相同，那等待时间最久的任务会进入就绪态

信号量：

  1. 信号量：是一种解决同步问题的机制，可以实现对共享资源的有序访问

    信号量1

  2. 按信号量的功能可分为：二值信号量、计数信号量、互斥信号量和递归互斥信号量

  3. 信号量的特点：

    信号量2

  4. 各种信号量的简介：

    1. 二值信号量： 特殊的队列，队列长度为 1，存在优先级翻转问题（低优先级先运行，高优先级的后运行）

    2. 计数信号量：基于二值信号量，可以有长度了

    3. 互斥信号量： 基本上和二值信号量完全一样，只是为了解决二值信号量的优先级翻转问题（优先级继承）

      信号量3

  5. 信号量与队列区别：

    信号量4

事件：

  1. 特点：

    事件1

  2. 与队列和信号量的对比：

    事件2

  3. 一个事件组中的所有事件位保存在一个EventBits_t类型的变量里，所以一个事件又称为一个“事件位”

    事件3

  4. 简介：

    事件4

参考链接：