FreeRTOS使用总结

只看该作者 · 2017-11-24 13:39

在实际开发中，如果程序等待一个事件发生，传统的无RTOS情况下，要么在原地一直等待而不能执行其它任务，要么使用状态机机制处理。而RTOS提供事件驱动型设计方式，只是在处理实际任务时才会运行，这能够更合理的利用CPU，也可以很方便的将当前任务阻塞在该事件下，然后自动去执行别的任务，这显然更方便，并且可以高效的利用CPU。处理这类事件，是我使用RTOS的最大动力。

只看该作者 · 2017-11-24 13:41

（1）大多数RTOS代码都具有一定规模，任何代码都可能带来BUG，何况是代码具有一定规模的RTOS，因此引入RTOS的同时也可能会引入该RTOS的BUG，这些RTOS本身的BUG一旦被触发，影响可能是是灾难性的。

只看该作者 · 2017-11-24 13:41

（2）不将RTOS分析透彻，很容易为项目埋下错误。典型的，像中断优先级、任务堆栈分配、可重入等，都是更容易出错的地方。

只看该作者 · 2017-11-24 13:41

（3）RTOS的优先级嵌套使得任务执行顺序、执行时序更难分析，甚至变成不可能。任务嵌套对所需的最大堆栈RAM大小估计也变得困难。这对很多对安全有严格要求的场合是不可想象的。

只看该作者 · 2017-11-24 13:42

（4）RTOS应该用于任务复杂的场合，以至于对任务调度的需求可以抵消RTOS所带来的稳定性影响，但大部分的应用并非复杂到需要RTOS。

只看该作者 · 2017-11-24 13:42

一、内核配置说明

1、时钟配置

configCPU_CLOCK_HZ (/*你的硬件平台CPU系统时钟，Fcclk*/)
configTICK_RATE_HZ    ((portTickType)100)
   第一个宏定义CPU系统时钟，也就是CPU执行时的频率。第二个宏定义FreeRTOS的时间片频率，这里定义为100，表明RTOS一秒钟可以切换100次任务，也就是每个时间片为10ms。
   在prot.c中，函数vPortSetupTimerInterrupt()设置节拍时钟。该函数根据上面的两个宏定义的参数，计算SysTick定时器的重装载数值寄存器，然后设置SysTick定时器的控制及状态寄存器，设置如下：使用内核时钟源、使能中断、使能SysTick定时器。另外，函数vPortSetupTimerInterrupt()由函数vTaskStartScheduler()调用，这个函数用于启动调度器。
系统节拍中断用来测量时间，因此，越高的测量频率意味着可测到越高的分辨率时间。但是，高的系统节拍中断频率也意味着RTOS内核占用更多的CPU时间，因此会降低效率。多个任务可以共享一个优先级，RTOS调度器为相同优先级的任务分享CPU时间，在每一个RTOS 系统节拍中断到来时进行任务切换。

只看该作者 · 2017-11-24 13:42

2、configMAX_PRIORITIES

在RTOS内核中，每个有效优先级都会消耗一定量的RAM，因此这个值不要超过你的应用实际需要的优先级数目。每一个任务都会被分配一个优先级，优先级值从0~ （configMAX_PRIORITIES- 1）之间。

只看该作者 · 2017-11-24 13:43

3、configMINIMAL_STACK_SIZE

定义空闲任务使用的堆栈大小。通常此值不应小于对应处理器演示例程文件FreeRTOSConfig.h中定义的数值。
就像xTaskCreate()函数的堆栈大小参数一样，堆栈大小不是以字节为单位而是以字为单位的，比如在32位架构下，栈大小为100表示栈内存占用400字节的空间。

只看该作者 · 2017-11-24 13:43

4、configMAX_TASK_NAME_LEN

调用任务函数时，需要设置描述任务信息的字符串，这个宏用来定义该字符串的最大长度。这里定义的长度包括字符串结束符’\0’。

只看该作者 · 2017-11-24 13:44

5、configUSE_TRACE_FACILITY

设置成1表示启动可视化跟踪调试，会激活一些附加的结构体成员和函数xTASK_STATUS。

只看该作者 · 2017-11-24 13:44

6、configUSE_16_BIT_TICKS

   定义系统节拍计数器的变量类型，即定义portTickType是表示16位变量还是32位变量。
   定义configUSE_16_BIT_TICKS为1意味着portTickType代表16位无符号整形，定义configUSE_16_BIT_TICKS为0意味着portTickType代表32位无符号整形。
   使用16位类型可以大大提高8位和16位架构微处理器的性能，但这也限制了最大时钟计数为65535个’Tick’。因此，如果Tick频率为100HZ（10MS中断一次），对于任务最大延时或阻塞时间，16位计数器是655秒。

只看该作者 · 2017-11-24 13:44

二、任务概述

通常任务函数都是一个死循环，任务由xTaskCreate()函数创建，由vTaskDelete()函数删除。删除任务后，空闲任务用来释放RTOS分配给被删除任务的内存。因此，在应用中使用vTaskDelete()函数后确保空闲任务能获得处理器时间。除此之外，空闲任务没有其它有效功能，所以可以被合理的剥夺处理器时间，并且它的优先级也是最低的。
vTaskDelay( 500 / portTICK_RATE_MS )，portTICK_RATE_MS将系统时钟节拍周期转变为ms。
在任务进行过程中可以获取、改变任务优先级，挂起、恢复和删除等操作。

只看该作者 · 2017-11-24 13:45

三、队列管理

队列的基本用法：
1、定义一个队列句柄变量，用于保存创建的队列：xQueueHandle xQueue1;
2、使用API函数xQueueCreate()创建一个队列。
3、如果希望使用先进先出队列，使用API函数xQueueSend()或xQueueSendToBack()向队列投递队列项。如果希望使用后进先出队列，使用API函数xQueueSendToFront()向队列投递队列项。如果在中断服务程序中，切记使用它们的带中断保护版本。
4、使用API函数xQueueReceive()从队列读取队列项，如果在中断服务程序中，切记使用它们的带中断保护版本。
目前串口收发数据使用队列进行传输，串口接收数据时，将收到的数据放入队列，开启uart_rx_hook()函数，超时之后发送一个二值信号量激活对应任务进行执行。

只看该作者 · 2017-11-24 13:45

四、信号量管理

FreeRTOS的信号量包括二进制信号量、计数信号量、互斥信号量（以后简称互斥量）和递归互斥信号量（以后简称递归互斥量）。我们可以把互斥量和递归互斥量看成特殊的信号量。互斥量和信号量在用法上不同：
（1）信号量用于同步，任务间或者任务和中断间同步；互斥量用于互锁，用于保护同时只能有一个任务访问的资源，为资源上一把锁。
（2）信号量用于同步时，一般是一个任务（或中断）给出信号，另一个任务获取信号；互斥量必须在同一个任务中获取信号、同一个任务给出信号。
（3）互斥量具有优先级继承，信号量没有。
（4）互斥量不能用在中断服务程序中，信号量可以。
（5）创建互斥量和创建信号量的API函数不同，但是共用获取和给出信号API函数；
可以将二进制信号量看作只有一个项目（item）的队列，因此这个队列只能为空或满（因此称为二进制）。任务和中断使用信号量无需关注谁控制---只需要知道二值信号量是空还是满。利用这个机制可以在任务和中断之间同步。
互斥资源的使用方式：

当一个任务在使用某个资源的过程中，即还没有完全结束对资源的访问时，便被切出运行态，使得资源处于非一致，不完整的状态。如果这个时候有另一个任务或者中断来访问这个资源，则会导致数据损坏或是其它相似的错误。
例子：访问外设考虑如下情形，有两个任务都试图往一个 LCD 中写数据：
 任务 A 运行，并往 LCD 写字符串”Hello world”。
 任务 A 被任务 B 抢占，但此时字符串才输出到”Hello w”。
 任务 B 往 LCD 写”Abort, Retry, Fail?”，然后进入阻塞态。
 任务 A 从被抢占处继续执行，完成剩余的字符输出——“orld”。现在 LCD 显示的是被破坏了的字符串”HellowAbort, Retry, Fail?orld”。
1、基本临界区是指宏 taskENTER_CRITICAL()与 taskEXIT_CRITICAL()之间的代码区间。临界区的工作仅仅是简单地把中断全部关掉，抢占式上下文切换只可能在某个中断中完成，所以调用 taskENTER_CRITICAL()的任务可以在中断关闭的时段一直保持运行态，直到退出临界区。
坏处：临界区之间的代码必须简短，像上面例子这种中断输出是不行的。长时间没有任务切换影响系统的实时性。
2、挂起调度器。
通过调用 vTaskSuspendAll()来挂起调度器。挂起调度器可以停止上下文切换而不用关中断。如果某个中断在调度器挂起过程中要求进行上下文切换，则这个请求也会被挂起，直到调度器被唤醒后才会得到执行。xTaskResumeAll()解除调度器的挂起状态。
3、互斥量
使用xSemaphoreCreateMutex()API函数创建互斥量，xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY )拿走信号量，xSemaphoreGive( xMutex )归还信号量。
使用互斥量需要避免进入死锁：
例子：任务A与任务B都需要获得互斥量X与互斥量Y以完成各自的工作：
1. 任务A执行，并成功获得了互斥量 X。
2. 任务 A 被任务 B 抢占。
3. 任务 B 成功获得了互斥量 Y，之后又试图获取互斥量 X——但互斥量 X 已经被任务 A 持有，所以对任务 B 无效。任务 B 选择进入阻塞态以等待互斥量 X 被释放。
4. 任务A得以继续执行。其试图获取互斥量Y——但互斥量 Y 已经被任务B持有而对任务A无效。任务A也选择进入阻塞态以等待互斥量 Y 被释放。
这种情形的最终结局是，任务A在等待一个被任务B持有的互斥量，而任务B也在等待一个被任务A持有的互斥量。死锁于是发生，因为两个任务都不可能再执行下去了。

只看该作者 · 2017-11-24 13:46

五、链表管理

从整段代码中可以看出，初始化后的链表是一个循环链表，以xListEnd为尾。整个链表只有一个节点（就是xListEnd）。而头节点则是xListEnd的下一个节点。另外，尾节点的节点值为portMAX_DELAY。上图描述：可以说，整条链表是按以下方式进行管理的。
P指针为前一节点指针，N为下一节点指针。接下来是插入操作。插入节点有两种类型：（1）是添加新节点到尾部。根据代码描述，这种类型的插入结果如下图所示。可以看出整条链表是一条循环链表，用链表中的xListEnd来指示链表结尾，并用来给出链表头入口。添加节点New4是属于第（2）种节点插入的情况，根据代码描述，是按值的顺序来决定插入位置的，只要遇到链表中的其中一个节点B的值比新节点A的值要大，那么A就插入到B的前面。例如，节点值排序为new1<new2<new4<new3，new4为新节点，那么new4就插入到new3的前面。
至于移除的话就是很普通的链表操作，注意一下链表指针没有指错，以及保持链表为循环链表就行了。

只看该作者 · 2017-11-24 13:47

六、内存管理

目前官方提供了5种内存管理策略：对于heap_1.c、heap_2.c和heap_4.c这三种内存管理策略，内存堆实际上是一个很大的数组，定义为：
static uint8_t ucHeap[ configTOTAL_HEAP_SIZE ]；
Heap_1只能简单的申请内存，不能进行释放，主要适用于不需要动态删除任务、信号量、队列等，而是在初始化的时候一次性创建好，便一直使用，永远不用删除的程序。
Heap_2.c这个方案使用一个匹配算法，它允许释放之前分配的内存块，但不会把相邻的空闲块合成一个更大的块（换句话说，这会造成内存碎片）。
heap_3.c，这种策略只是简单的包装了标准库中的malloc()和free()函数，包装后的malloc()和free()函数具备线程保护。因此，内存堆需要通过编译器或者启动文件设置堆空间。
heap_4.c与第二种比较相似，只不过增加了一个合并算法，将相邻的空闲内存块合并成一个大块。
heap_5.c比较有趣，它允许程序设置多个非连续内存堆，比如需要快速访问的内存堆设置在片内RAM，稍微慢速访问的内存堆设置在外部RAM。每个内存堆的起始地址和大小由应用程序设计者定义。
API函数xPortGetFreeHeapSize()返回剩下的未分配堆栈空间的大小（可用于优化设置configTOTAL_HEAP_SIZE宏的值），但是不能提供未分配内存的碎片细节信息。
heap_2功能简介：
目前我们使用第二种策略，可以用于重复的分配和删除具有相同堆栈空间的任务、队列、信号量、互斥量等等，并且不考虑内存碎片的应用程序。不能用在分配和释放随机字节堆栈空间的应用程序。
如果一个应用程序动态的创建和删除任务，并且分配给任务的堆栈空间总是同样大小，那么大多数情况下heap_2.c是可以使用的。但是，如果分配给任务的堆栈不总是相等，那么释放的有效内存可能碎片化，形成很多小的内存块。最后会因为没有足够大的连续堆栈空间而造成内存分配失败。在这种情况下，heap_4.c是一个很好的选择。虽然不具有确定性，但是它比标准库中的malloc函数具有高得多的效率。

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2014--2015年

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