FreeRTOS及其应用，万字长文，基础入门

一、 为什么要学习 RTOS

进入嵌入式这个领域，入门首先接触的是单片机编程，尤其是C51 单片机来，基础的单片机编程通常都是指裸机编程，即不加入任何 RTOS（Real Time Operating System 实时操作系统）。常用的有国外的FreeRTOS、μC/OS、RTX 和国内的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中开源且免费的 FreeRTOS 的市场占有率较高。

在裸机系统中，所有的操作都是在一个无限的大循环里面实现,支持中断检测。外部中断紧急事件在中断里面标记或者响应，中断服务称为前台，main 函数里面的while(1)无限循环称为后台，按顺序处理业务功能，以及中断标记的可执行的事件。小型的电子产品用的都是裸机系统，而且也能够满足需求。

多任务系统的事件响应也是在中断中完成的，但是事件的处理是在任务中完成的。如果事件对应的任务的优先级足够高，中断对应的事件会立刻执行。相比前后台系统，多任务系统的实时性又被提高了。

在多任务系统中，根据程序的功能，把这个程序主体分割成一个个独立的，无限循环且不能返回的子程序，称之为任务。每个任务都是独立的，互不干扰的，且具备自身的优先级，它由操作系统调度管理。加入操作系统后，开发人员不需要关注每个功能模块之间的冲突，重心放在子程序的实现。缺点是整个系统随之带来的额外RAM开销，但对目前的单片机的来影响不大。

学习 RTOS，一是项目需要，随着产品要实现的功能越来越多，单纯的裸机系统已经不能完美地解决问题，反而会使编程变得更加复杂，如果想降低编程的难度，就必须引入 RTOS实现多任务管理。二是技能需要，掌握操作系统，和基于RTOS的编程，实现更好的职业规划，对个人发展尤其是钱途是必不可少的。

以前一直觉得学操作系统就必须是linux，实际每个系统都有其应用场景，对于物联网行业，杀**焉用牛刀，小而美，且应用广泛的FreeRTOS 是首选。有一个操作系统的基础，即使后续基于其他系统开发软件，也可触类旁通，对新技术快速入门。目前接触的几款芯片都是基于FreeRTOS。

如何学习RTOS？最简单的就是在别人移植好的系统之上，看看 RTOS 里面的 API 使用说明，然后调用这些 API 实现自己想要的功能即可。完全不用关心底层的移植，这是最简单快速的入门方法。这种学习方式，如果是做产品，可以快速的实现功能，弊端是当程序出现问题的时候，如果对RTOS不够了解，会导致调试困难，无从下手。

各种RTOS内核实现方式都差不多，我们只需要深入学习其中一款就行。万变不离其宗，正如掌握了C51基础，后续换其他型号或者更高级的ARM单片机，在原理和方法上，都是有借鉴意义，可以比较快的熟悉并掌握新单片机的使用。

链表作为 C 语言中一种基础的数据结构，在平时写程序的时候用的并不多，但在操作系统里面使用的非常多。FreeRTOS 中存在着大量的基础数据结构链表和链表项的操作（list 和 list item）。FreeRTOS 中与链表相关的操作均在 list.h 和 list.c 这两个文件中实现。

链表比数组，最大优势是占用的内存空间可以随着需求扩大或缩小，动态调整。实际FreeRTOS中各种任务的记录都是依靠链表动态管理，具体的可以参考源码的任务控制块tskTCB。任务切换状态，就是将对应的链表进行操作，链表操作涉及创建和插入、删除和查找。

队列是一种只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作。队尾放入数据，对头挤出。先进先出，称为FIFO

在裸机系统中，系统的主体就是 main 函数里面顺序执行的无限循环，这个无限循环里面 CPU 按照顺序完成各种事情。在多任务系统中，根据功能的不同，把整个系统分割成一个个独立的且无法返回的函数，这个函数我们称为任务。系统中的每一任务都有多种运行状态。系统初始化完成后，创建的任务就可以在系统中竞争一定的资源，由内核进行调度。

 就绪（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。

 运行（Running）：该状态表明任务正在执行，此时它占用处理器，调度器选择运行的永远是处于最高优先级的就绪态任务。

 阻塞（Blocked）：任务当前正在等待某个事件，比如信号量或外部中断。

 挂起态(Suspended)：处于挂起态的任务对调度器而言是不可见的。

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，直到调用恢复任务的 接口；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。

各任务运行时使用消息、信号量等方式进行通信，不能是全局变量。任务通常会运行在一个死循环中，不会退出，如果不再需要，可以调用删除任务。

临界区就是一段在执行的时候不能被中断的代码段。在多任务操作系统里面，对全局变量的操作不能被打断，不能执行到一半就被其他任务再次操作。一般被打断，原因就是系统调度或外部中断。对临界区的保护控制，归根到底就是对系统中断的使能控制。在使用临界区时，关闭中断响应，对部分优先级的中断进行屏蔽，因此临界区不允许运行时间过长。为了对临界区进行控制，就需要使用信号量通信，实现同步或互斥操作。

FreeRTOS 由美国的 Richard Barry 于 2003 年发布， 2018 年被亚马逊收购，改名为 AWS FreeRTOS，版本号升级为 V10，支持MIT开源协议，亚马逊收购 FreeRTOS 也是为了进入物联网和人工智能，新版本增加了物联网行业的网络协议等功能。

FreeRTOS 是开源免费的，可从官网 www.freertos.org 下载源码和说明手册。例如展锐的UIS8910使用的是V10。以FreeRTOSv10.4.1为例，包含 Demo 例程，Source内核的源码，License许可文件。

FreeRTOS/ Source 文件夹下的文件：

包括FreeRTOS 的通用的头文件include和 C 文件，包括任务、队列、定时器等，适用于各种编译器和处理器，是通用的。

需要特殊处理适配的在portblle文件夹，其下内容与编译器和处理器相关， FreeRTOS 要想运行在一个单片机上面，它们就必须关联在一起，通常由汇编和 C 联合编写。通常难度比较高，不过一般芯片原厂提供移植好的接口文件。这里不介绍移植的方法，因为自己也不明白。

Portblle/MemMang 文件夹下存放的是跟内存管理相关的，总共有五个 heap 文件，有5种内存动态分配方式，一般物联网产品选用 heap4.c 。

里面包含了 FreeRTOS 官方为各个单片机移植好的工程代码，FreeRTOS 为了推广自己，会给针对不同半导体厂商的评估板实现基础功能范例， Demo下就是参考范例。

FreeRTOSConfig.h头文件对FreeRTOS 所需的功能的宏均做了定义，需要根据应用情况配置合适的参数，其作用类似MTK功能机平台的主mak文件，部分定义如下：

1. #define configUSE_PREEMPTION            1  

2. #define configUSE_IDLE_HOOK             0  

3. #define configUSE_TICK_HOOK             0  

4. #define configCPU_CLOCK_HZ              ( SystemCoreClock )  

5. #define configTICK_RATE_HZ              ( ( TickType_t ) 1000 )  

例如系统时钟tick等参数在就这个文件配置，具体作用可以看注释。一般情况下使用SDK不需要改动，特殊情况下咨询原厂再调整。

接触一个新平台或者SDK，明白它的编码规范，文件作用，可以提高源码阅读效率，快速熟悉其内部实现。

FreeRTOS针对不同的处理器，对标准C的数据类型进行了重定义。

1. #define portCHAR        char  

2. #define portFLOAT       float  

3. #define portDOUBLE      double  

4. #define portLONG        long  

5. #define portSHORT       short  

6. #define portSTACK_TYPE  uint32_t  

7. #define portBASE_TYPE   long  

1. typedef int int32_t;  

2. typedef short int16_t;  

3. typedef char int8_t;  

4. typedef unsigned int uint32_t;  

5. typedef unsigned short uint16_t;  

6. typedef unsigned char uint8_t;

FreeRTOS 中，定义变量的时候往往会把变量的类型当作前缀，好处看到就知道其类型。

char 型变量的前缀是 c

short 型变量的前缀是 s

long 型变量的前缀是 l

复杂的结构体，句柄等定义的变量名的前缀是 x

变量是无符号型的再加前缀 u，是指针变量则加前缀 p

函数名包含了函数返回值的类型、函数所在的文件名和函数的功能，如果是私有的函数则会加一个 prv（private）的前缀。

例如vTaskPrioritySet()函数的返回值为 void 型，在 task.c 这个文件中定义。

宏内容是由大写字母表示，前缀是小写字母，表示该宏在哪个头文件定义，如：

<span style="outline: 0px; max-width: 100%; font-family: " operator="" mono",="" consolas,="" monaco,="" menlo,="" monospace;="" font-size:="" 12px;="" white-space:="" pre;="" color:="" rgb(209,="" 154,="" 102);="" line-height:="" 26px;="" box-sizing:="" border-box="" !important;"="">1.</span><span style="color: rgb(171, 178, 191); font-family: " operator="" mono",="" consolas,="" monaco,="" menlo,="" monospace;="" font-size:="" 12px;="" white-space:="" pre;="" background-color:="" rgb(40,="" 44,="" 52);"=""> </span><span style="outline: 0px; max-width: 100%; font-family: " operator="" mono",="" consolas,="" monaco,="" menlo,="" monospace;="" font-size:="" 12px;="" white-space:="" pre;="" color:="" rgb(97,="" 174,="" 238);="" line-height:="" 26px;="" box-sizing:="" border-box="" !important;"="">#<span style="outline: 0px; max-width: 100%; line-height: 26px; box-sizing: border-box !important;">define</span> taskYIELD()                 portYIELD()  </span>

表示该宏是在task.h。

1、编码不缺编码规范，但是实际使用中很难完全依照标准执行，即使freeRTOS源码也是如此。

2、关于函数或者宏定义中带文件名的作用，使用Source Insight 编辑代码，该前缀的意义不大。

3、规则是活的，只要所有人都按一个规则执行，它就是标准。

关于freeRTOS的应用开发，主要是任务的创建和调度，任务间的通信与同步，涉及队列、信号量等操作系统通用接口。结合应用需求，涉及定时器、延时、中断控制等接口。

特别说明，有些功能的实现方式有多种形式，只针对常用方式进行说明，例如task的创建，只说明动态创建方式，因为很少使用静态方式。

xTaskCreate()使用动态内存的方式创建一个任务。

1. ret = xTaskCreate((TaskFunction_t) master_task_main,  /* 任务入口函数 */(1)

2.                   “MASTER”,   /* 任务名字 */(2)

3.                   64*1024,   /* 任务栈大小 */(3)

4.                   NULL,    ,/* 任务入口函数参数 */(4)

5.                   TASK_PRIORITY_NORMAL,  /* 任务的优先级 */(5)

6.                   &task_master_handler);  /* 任务控制块指针 */(6)

创建任务就是软件运行时的一个while（1）的入口，一般阅读其他代码，找到这个函数，再跟踪到任务入口函数，学习基于freeRTOS系统的代码，首先就是找到main和这个接口。

(1)：任务入口函数，即任务函数的名称，需要我们自己定义并且实现。

(2)：任务名字，字符串形式，最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的 configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，只是方便调试。

(3)：任务堆栈大小，单位为字， 4 个字节，这个要注意，否则系统内存紧缺。

(4)：任务入口函数形参，不用的时候配置为 0 或者NULL 即可。

(5) ：任务的优先级，在 FreeRTOS 中，数值越大优先级越高，0 代表最低优先级。基于其SDK开发，可将自定义的所有业务功能task设为同一个优先级，按时间片轮询调度。

(6)：任务控制块指针，使用动态内存的时候，任务创建函数 xTaskCreate()会返回一个指针指向任务控制块，也可以设为NULL，因为任务句柄后期可以不使用。