FreeRTOS初步认识

源：FreeRTOS初步认识

用了半天时间对FreeRTOS有了一个初步的认识，大概总结一下，其中混杂了系统实现和实际应用方面的问题。

现只是以应用为目的，实现方面待以后进一步研究。

1.FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理。与平台有关的文件包含在portable文件夹中，主要是port.c, portmacro.h两个文件。平台无关的文件主要是：list.c(基本链表结构), queue.c(包括消息队列，信号量的实现), croutine.c,tasks.c(任务管理，时间管理)。

命名协定

RTOS内核与范例程序源代码使用下面的协定：

变量

char类型的变量以 c 为前缀

short类型的变量以 s 为前缀

long类型的变量以 l 为前缀

float类型的变量以 f 为前缀 
      double类型的变量以 d 为前缀

枚举变量以 e 为前缀 其他类型（如结构体）以 x 为前缀

指针有一个额外的前缀 p , 例如short类型的指针前缀为 ps

无符号类型的变量有一个额外的前缀 u , 例如无符号short类型的变量前缀为 us

函数
　　文件内部函数以prv为前缀

API函数以其返回值类型为前缀，按照前面对变量的定义
　　函数的名字以其所在的文件名开头。如vTaskDelete函数在Task.c文件中定义

数据类型

数据类型并不直接在RTOS内核内部引用。相反，每个平台都有其自身的定义方式。例如，char类型定义为portCHAR，short类型定义为portSHORT等。范例程序源代码使用的就是这种符号，但这并不是必须的，你可以在你的程序中使用任何你喜欢的符号。
　　此外，有两种额外的类型要为每种平台定义。分别是：
　　portTickType

可配置为16位的无符号类型或32位的无符号类型。参考API文档中的 定制部分获取详细信息。

portBASE_TYPE

为特定体系定义的最有效率的数据类型。
　　如果portBASE_TYPE定义为char则必须要特别小心的保证用来作为函数返回值的signed char可以为负数，用于指示错误。

2. FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、 优先级最高的任务先运行。FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。

3.freertos既可以配置为可抢占内核也可以配置为不可抢占内核。当FreeRTOS被设置为可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的CPU使用权，这样可保证系统满足实时性的要求；当FreeRTOS被设置为不可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放CPU的使用权后才能获得运行，这 样可提高CPU的运行效率。

4.任务管理

系统为每个任务分配一个TCB结构

typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile portSTACK_TYPE     *pxTopOfStack;//指向堆栈顶
    xListItem    xGenericListItem;   //通过它将任务连入就绪链表或者延时链表或者挂起链表中， xListItem包含其TCB指针
    xListItem    xEventListItem;//通过它把任务连入事件等待链表
    unsigned portBASE_TYPE    uxPriority;//优先级
    portSTACK_TYPE      *pxStack;              //指向堆栈起始位置
    signed portCHAR     pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];
    //......省略一些次要结构 

} tskTCB;

系统的全局变量：

static xList pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]; 就绪队列

static xList xDelayedTaskList1; 

static xList xDelayedTaskList2; 两个延时任务队列 

static xList * volatile pxDelayedTaskList; 

static xList * volatile pxOverflowDelayedTaskList; 两个延时队列的指针，应该是可互换的。

static xList xPendingReadyList;  

static volatile xList xTasksWaitingTermination;   等待结束队列

static volatile unsigned portBASE_TYPE uxTasksDeleted = ( unsigned portBASE_TYPE ) ;  结束队列中的个数？？？？？

static xList xSuspendedTaskList;   挂起队列

static volatile unsigned portBASE_TYPE uxCurrentNumberOfTasks；记录了当前系统任务的数目

static volatile portTickType xTickCount;是自启动以来系统运行的ticks数

static unsigned portBASE_TYPE uxTopUsedPriority；记录当前系统中被使用的最高优先级，

static volatile unsigned portBASE_TYPE uxTopReadyPriority；记录当前系统中处于就绪状态的最高优先级。

static volatile signed portBASE_TYPE xSchedulerRunning  ;表示当前调度器是否在运行，也即内核是否启动了

任务建立和删除，挂起和唤醒

5.时间管理

操作系统总是需要个时钟节拍的，这个需要硬件支持。freertos同样需要一个time tick产生器，通常是用处理器的硬件定时器来实现这个功能。（时间片轮转调度中和延时时间控制？？）

它周期性的产生定时中断，所谓的时钟节拍管理的核心就是这个定时中断的服务程序。freertos的时钟节拍isr中除去保存现场，灰度现场这些事情外，核心的工作就是调用vTaskIncrementTick()函数。vTaskIncrementTick()函数主要做两件事情：维护系统时间（以tick为单位，多少个节拍）；处理那些延时的任务，如果延时到期，则唤醒任务。

任务可用的延时函数：vTaskDelay();vTaskDelayUntil();

特别之处在于vTaskDelayUntil()是一个周期性任务可以利用它可以保证一个固定的（确定的）常数执行频率，而vTaskDelay()无法保证。

6.任务间的通信（详见“FreeRTOS任务间通讯”）

1)当然可以用全局变量的形式通信，但是不安全。

2)队列(xQueueHandle)是FreeRTOS中通信所需的主要数据结构。

3)信号量(xSemaphoreHandle),有二进制信号量，计数信号量和互斥信号量，其都是以队列为基础结构建立。

二进制信号量可以用于中断和任务间的同步。也就是说希望任务随外部中断而执行。即外设给出“数据已就绪”信号，系统中断，任务收到此中断信号接收数据。

互斥一般用于都共享资源或数据结构的保护。因为任务调度不能保证数据不被破坏。当一个任务需要访问资源，它必须先获得 ('take') 令牌；当访问结束后，它必须释放令牌 - 允许其他任务能够访问这个资源。(对此还有待进一步实验研究)。

7.系统配置

freeRTOS 配置在：FREERTOS_CONFIG.H 里面，条目如下：

/* 是否配置成抢先先多任务内核，是1的时候，优先级高的任务优先执行。 为0任务就没有优先级之说，用时间片轮流执行 */

#define configUSE_PREEMPTION                1

/* IDLE任务的HOOK函数，用于OS功能扩展，需要你自己编相应函数， 名字是void vApplicationIdleHook( void ) */

#define configUSE_IDLE_HOOK                   0

/* SYSTEM TICK的HOOK函数，用于OS功能扩展，需要你自己编相应函数， 名字是 void vApplicationTickHook(void ) */

#define configUSE_TICK_HOOK                 0

/* 系统CPU频率，单位是Hz */

#define configCPU_CLOCK_HZ                  58982400

/* 系统SYSTEM TICK每秒钟的发生次数， 数值越大系统反应越快，但是CPU用在任务切换的开销就越多 */

#define configTICK_RATE_HZ                      250

/* 系统任务优先级数。5 说明任务有5级优先度。这个数目越大耗费RAM越多 */

#define configMAX_PRIORITIES                      5

/* 系统最小堆栈尺寸，注意128不是128字节，而是128个入栈。比如ARM32位，128个入栈就是512字节 */

#define configMINIMAL_STACK_SIZE            128

/* 系统可用内存。一般设成除了操作系统和你的程序所用RAM外的最大RAM。 比如20KRAM你用了2K，系统用了3K，剩下15就是最大HEAP 尺寸。你可以先设小然后看编译结果往大里加*/

#define configTOTAL_HEAP_SIZE                       10240

/* 任务的PC名字最大长度，因为函数名编译完了就不见了，所以追踪时不知道哪个名字。16表示16个char */

#define configMAX_TASK_NAME_LEN             16

/* 是否设定成追踪，由PC端TraceCon.exe记录，也可以转到系统显示屏上 */

#define configUSE_TRACE_FACILITY                  0

/* 就是SYSTEM TICK的长度，16是16位，如果是16位以下CPU， 一般选1；如果是32位系统，一般选0 */

#define configUSE_16_BIT_TICKS                          0

/* 简单理解以下就是和IDLE TASK同样优先级的任务执行情况。建议设成1，对系统影响不大 */

#define configIDLE_SHOULD_YIELD                     1

/* 是否用MUTEXES。 MUTEXES是任务间通讯的一种方式，特别是用于任务共享资源的应用，比如打印机，任务A用的时候就排斥别的任务应用，用完了别的任务才可以应用 */

#define configUSE_MUTEXES                                     0

/*  确定是否用递归式的MUTEXES */

#define configUSE_RECURSIVE_MUTEXES              0

/* 是否用计数式的SEMAPHORES，SEMAPHORES也是任务间通讯的一种方式 */

#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES       0

/* 是否应用可切换式的API。freeRTOS 同一功能API有多个，有全功能但是需求资源和时间较多的，此项使能后就可以用较简单的API， 节省资源和时间，但是应用限制较多 */

#define configUSE_ALTERNATIVE_API                       0

/* 此项用于DEBUG，来看是否有栈溢出，需要你自己编相应检查函数void vApplicationStackOverflowHook(xTaskHandle *pxTask, signed portCHAR *pcTaskName )  */

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW      0

/* 用于DEBUG，登记SEMAPHORESQ和QUEUE的最大个数，需要在任务用应用函数vQueueAddToRegistry()和vQueueUnregisterQueue()  */

#define configQUEUE_REGISTRY_SIZE                        10

/* 设定可以改变任务优先度 */

#define INCLUDE_vTaskPrioritySet                               1

/* 设定可以查询任务优先度 */

#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet                              1

/* 设定可以删除任务 */

#define INCLUDE_vTaskDelete                                       1

/* 据说是可以回收删除任务后的资源（RAM等）*/

#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources                 0

/* 设置可以把任务挂起 */

#define INCLUDE_vTaskSuspend                                     1

/* 设置可以从中断恢复（比如系统睡眠，由中断唤醒 */

#define INCLUDE_vResumeFromISR                                1

/* 设置任务延迟的绝对时间，比如现在4：30，延迟到5：00。时间都是绝对时间 */

#define INCLUDE_vTaskDelayUntil                                  1

/* 设置任务延时，比如延迟30分钟，相对的时间，现在什么时间，不需要知道 */

#define INCLUDE_vTaskDelay                                           1

/* 设置 取得当前任务分配器的状态 */

#define INCLUDE_xTaskGetSchedulerState                      1

/* 设置当前任务是由哪个任务开启的 */

#define INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle              1

/* 是否使能这一函数，还数的目的是返回任务执行后任务堆栈的最小未用数量，同样是为防止堆栈溢出 */

#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark       0

/* 是用用协程。协程公用堆栈，节省RAM，但是没有任务优先级高，也无法和任务通讯 */

#define configUSE_CO_ROUTINES                                   0

/* 所有协程的最大优先级数，协程优先级永远低于任务。就是系统先执行任务，所有任务执行完了才执行协程。*/

#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES          1

/*  系统内核的中断优先级，中断优先级越低，越不会影响其他中断。一般设成最低 */

#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY            [dependent of processor]

/* 系统SVC中断优先级，这两项都在在M3和PIC32上应用 */

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY  [dependent on processor and application]

#endif /* FREERTOS_CONFIG_H */

一般来说，如果用不上的功能都要设成0，可以减少代码和资源。