FreeRTOS及其应用，万字长文，基础入门

1、建议合理使用信号量进行事件同步处理，减少对定时器的依赖。

2、使用前合理设定超时时间和依赖关系，避免多个任务互相等待对方释放的信号量而死锁。

信号量用于单个任务与任务或任务与中断之间的同步，但有些任务可能与多个任务由关联，此时信号量实现就比较麻烦，可以使用事件机制。

事件是一种实现任务间通信的机制，多任务环境下，任务、中断之间往往需要同步操作，一个事件发生会告知等待中的任务，即形成一个任务与任务、中断与任务间的同步。事件可以提供一对多、多对多的同步操作。一对多同步模型：一个任务等待多个事件的触发，这种情况是比较常见的。

任务可以通过设置事件位来实现事件的触发和等待操作。FreeRTOS 的事件仅用于同步，不提供数据传输功能。

在某些场合，可能需要多个事件发生了才能进行下一步操作。各个事件可分别发送或一起操作事件标志组，而任务可以等待多个事件，任务仅对感兴趣的事件进行关注。当有感兴趣的事件发生时并且符合感兴趣的条件，任务将被唤醒并进行后续的处理动作。

其机制类似一个全局变量，子任务使用特殊的接口函数对指定的位进行写1或者清零，主任务阻塞等待该变量满足设定的规则，则返回运行。

例如项目中的喂狗机制，多个任务，只要有一个任务发生异常，则主任务停止喂狗，等待被重启。

不使用事件机制，则3个任务定时向主master task发送消息，表明自身任务运行正常；同时master task定时查询，是否收到3个任务的消息，如果全都收到表示正常，清除进入下一个定时检查周期；如果其中一个未收到则表示对应任务异常，故意停止喂狗等待被重启。

使用事件机制，则相对容易，3个任务定时设置对应的标志位，master task只需要等待指定的事件位，超时就表示异常；不需要自身定时查询，也省去了定时发消息。当然缺点是master task只能阻塞等待事件不能执行其他业务逻辑。

xEventGroupCreate()用于创建一个事件组，vEventGroupDelete()删除事件对象控制块来释放系统资源。

事件组置位，任务中使用 xEventGroupSetBits()，中断中使用xEventGroupSetBitsFromISR()；

xEventGroup 事件句柄。uxBitsToSet 指定事件中的事件标志位。如设置 uxBitsToSet 为 0x09 则位 3和位 0 都需要被置位。返回调用 xEventGroupSetBits() 时事件组中的值。

事件组清除位，任务中使用xEventGroupClearBits()，中断中使用 xEventGroupClearBitsFromISR()，都是用于清除事件组指定的位，如果在获取事件的时候没有将对应的标志位清除，那么就需要用这个函数来进行显式清除。

xEventGroup 事件句柄。uxBitsToClear 指定事件组中的哪个位需要清除。如设置 uxBitsToSet 为 0x09则位 3和位 0 都需要被清除。

读取事件标志，任务中使用 xEventGroupGetBits()，中断中使用xEventGroupGetBitsFromISR()。

重点是等待事件函数 xEventGroupWaitBits()，获取任务感兴趣的事件且支持等待超时机制，当且仅当任务等待的事件发生时，任务才能获取到事件信息。否则任务将保持阻塞状态以等待事件发生。当其它任务或中断服务程序往其等待的事件设置对应的标志位，该任务将自动由阻塞态转为就绪态。

EventGroupWaitBits()用于获取事件组中的一个或多个事件发生标志，当要读取的事件标志位没有被置位时，任务将进入阻塞等待状态。要想使用该函数必 须 把FreeRTOS/source/event_groups.c 这个 C 文件添加到工程中。

1. EventBits_t xEventGroupWaitBits( EventGroupHandle_t xEventGroup,  

2.                                  const EventBits_t uxBitsToWaitFor,  

3.                                  const BaseType_t xClearOnExit,  

4.                                  const BaseType_t xWaitForAllBits,  

5.                                  TickType_t xTicksToWait )  

参数

xEventGroup 事件句柄。

  uxBitsToWaitFor 一个按位或的值，指定需要等待事件组中的哪些位置1。如需要等待 bits 0 and/or bit 1 and/or bit 2则 uxBitsToWaitFor 配置为 0x07(0111b)。

xClearOnExit pdTRUE：xEventGroupWaitBits() 等待到满足任务唤醒的事件时，系统将清除由形参 uxBitsToWaitFor 指定的事件标志位。pdFALSE：不会清除由形参 uxBitsToWaitFor 指定的事件标志位。

xWaitForAllBits pdTRUE ：当形参 uxBitsToWaitFor 指定的位都置位的时候，xEventGroupWaitBits()才满足任务唤醒的条件，这也是“逻辑与”等待事件，并且在没有超时的情况下返回对应的事件标志位的值。pdFALSE：当形参 uxBitsToWaitFor 指定的位有其中任意一个置位的时候，这也是常说的“逻辑或”等待事件，在没有超时的情况下 函数返回对应的事件标志位的值。xTicksToWait 最大超时时间，单位为系统节拍周期

返回值

返回事件中的哪些事件标志位被置位，返回值很可能并不是用户指定的事件位，需要对返回值进行 判断再处理 。

其应用类似某个全局变量，等待事件的任务在设定的时间内，监控该变量某些位的值；该值由其他任务或中断修改。

FreeRTOS 从 V8.2.0 版本开始提供任务通知这个功能，可以在一定场合下替代 FreeRTOS 的信号量，队列、事件组等，但是使用也有局限性。将宏定义 configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 设置为 1才能开启开功能。但该功能并不常用。

FreeRTOS 内存管理模块管理用于系统中内存资源，它是操作系统的核心模块之一。主要包括内存的初始化、分配以及释放。一般不同的平台移植代码，内存的动态申请和释放接口需要替换。嵌入式实时操作系统中，一般不支持标准C库中的 malloc()和 free()，其内存有限，随着内存不断被分配和释放，整个系统内存区域会产生越来越多的碎片。

FreeRTOS提供了 5 种内存管理算法，源文件在Source\portable\MemMang 路径下，使用的时候选择其中一个。heap_1.c、heap_2.c 和 heap_4.c 这三种内存管理方案，内存堆实际上是一个很大的 数 组ucHeap。

heap_1.c内存管理方案简单,它只能申请内存而不能进行内存释放。有些嵌入式系统并不会经常动态申请与释放内存，一般都是在系统启动后就一直使用下去，永不删除，适合这种方式。

heap_2.c 方案支持释放申请的内存，但是它不能把相邻的两个小的内存块合成一个大的内存块，对于每次申请内存大小都比较固定的；但每次申请并不是固定内存大小的则会造成内存碎片。如下图，随着不断的申请释放，空闲空间会变成很多小片段。

heap_3.c 方案只是封装了标准 C 库中的 malloc()和 free()函数，由编译器提供，需要通过编译器或者启动文件设置堆空间。

heap_4.c 方案是在heap_2.c 基础上，对内存碎片进行了改进，能把相邻的空闲的内存块合并成一个更大的块，这样可以减少内存碎片。

heap_5.c 方案在实现动态内存分配时与 heap4.c 方案一样，采用最佳匹配算法和合并算法，并且允许内存堆跨越多个非连续的内存区，也就是允许在不连续的内存堆中实现内存分配，比如做图形显示，可能芯片内部的 RAM 不足，额外扩展SDRAM，那这种内存管理方案则比较合适。

一般物联网平台使用的是heap_4.c。

不管其内部的管理如何实现的，对上层应用层的接口都是一样的。

1. void *pvPortMalloc( size_t xSize ); //内存申请函数   

2. void vPortFree( void *pv );          //内存释放函数   

3. void vPortInitialiseBlocks( void ); //初始化内存堆函数   

4. size_t xPortGetFreeHeapSize( void );    //获取当前未分配的内存堆大小   

5. size_t xPortGetMinimumEverFreeHeapSize( void ); //获取未分配的内存堆历史最小值  

一般主要是使用内存申请和释放两个接口，用法和注意事项同malloc/free一样，成对使用。内存释放后尽量将指针设为NULL。

一些常用接口进行说明。

进入和退出临界段的宏在 task.h 中定义，进入和退出临界段的宏分中断保护版本和非中断版本，但最终都是通过开/关中断来实现。主要用于对全局变量的控制，系统使用非常多，但实际项目中没使用，因为全局变量的异常访问时小概率问题，只是测试没发现，理论上是存在问题的。

1. /* 在中断场合*/  {   

2.     uint32_t ulReturn;   

3.     

4.     ulReturn = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR(); /* 进入临界段，临界段可以嵌套 */   

5.     

6.     /* 临界段代码 */      

7.        

8.     taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR( ulReturn );  }   /* 退出临界段 */

1.  /* 在非中断场合 */  {   

2.       

3.     taskENTER_CRITICAL();     /* 进入临界段 */ 

4. 

5.     /* 临界段代码 */    

6.     

7.     taskEXIT_CRITICAL();  }   /* 退出临界段*/  

vTaskDelay ()阻塞延时，任务调用该延时函数后会被剥离 CPU 使用权，进入阻塞状态，直到延时结束。但是该函数不能用在中断服务和定时回调函数。延时单位是tick。

和其它平台不同，中断回调中释放中断标记即可，freeRTOS中，中断触发后，可能某些阻塞的任务获取了相关信号，需要立刻执行，因此中断服务发送消息后，需要主动查询阻塞任务的情况，执行任务切换动作。

1. static uint32_t ulExampleInterruptHandler( void )  

2. {  

3.     BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;  

4. 

5.     xQueueSendToBackFromISR (xQueueRx,&cChar,&xHigherPriorityTaskWoken);  

6.     portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);  

7. }