1. 基础知识简介
1.1 操作系统概述
操作系统从整体上分为两大类:通用操作系统和实时操作系统。
通用操作系统（General-Purpose Operating System）
通用操作系统是广泛应用于个人电脑、服务器、移动设备等的多用途操作系统，能够同时处理多种任务，支持多用户和多任务环境。它的设计目标是灵活性、兼容性和用户友好性，而非对时间的严格约束。。例如 Windows、macOS、Linux 等。
实时操作系统（RTOS）
定义：实时操作系统专为严格时间约束场景设计，确保任务在限定时间内完成响应。例如 VxWorks、QNX、FreeRTOS 等。主要分为两类：
硬实时系统： 任务必须在严格的时间限制内完成（如导弹控制系统）。
软实时系统： 任务需要尽快完成，但允许一定延迟（如视频流播放）。
1.2 Free RTOS 简介
FreeRTOS 是一个 轻量级、开源的实时操作系统内核（RTOS），专为资源受限的嵌入式设备设计，支持多任务处理和实时任务调度。其核心特点包括：
开源免费：采用 MIT 许可证，允许免费使用、修改和分发。
实时性：确保任务在指定时间内完成，适用于硬实时和软实时场景。
低资源占用：适用于内存有限的微控制器（MCU）和小型微处理器。
可移植性：支持多种处理器架构（如 ARM Cortex-M、RISC-V、x86 等）和开发平台（如 STM32、ESP32、Arduino 等）。
FreeRTOS 由 Richard Barry 于 2003 年开发，2017 年被亚马逊收购，现称为 AWS FreeRTOS，并持续更新维护（最新版本为 10.4.4）。
FreeRTOS的代码可以分解为三个主要区块：任务，通讯，和硬件接口。
任务： 大约有一半的FreeRTOS的核心代码用来处理多数操作系统首要关注的问题：任务。任务是给定优先级的用户定义的C函数。task.c和task.h完成了所有有关创建，调度，和维护任务的繁重工作。
通讯： 任务很重要，不过任务间可以互相通讯则更为重要！它给我们带来FreeRTOS的第二项任务：通讯。大约40%的FreeRTOS核心代码是用来处理通讯的。queue.c和queue.h是负责处理FreeRTOS的通讯的。任务和中断使用队列互相发送数据，并且使用信号灯和互斥来发送临界资源的使用情况。
硬件接口： 接近9000行的代码拼凑起基本的FreeRTOS，是硬件无关的；相同的代码都能够运行，不论FreeRTOS是运行在不起眼的8051，还是最新、最炫的ARM内核上。大约有6%的FreeRTOS的核心代码，在硬件无关的FreeRTOS内核与硬件相关的代码间扮演着垫片的角色。我们将在下个部分讨论硬件相关的代码。
内核与调度机制
内核架构
任务调度器：基于优先级抢占式调度，高优先级任务可立即执行。
中断管理：快速响应硬件中断，支持中断服务例程（ISR）与任务通信。
上下文切换：任务切换时间极短（微秒级），确保实时性。
调度策略
优先级调度：任务按优先级从高到低执行，优先级相同则轮转调度。
动态优先级调整：运行时可通过 API 调整任务优先级，灵活适应需求。
1.3 Ffee RTOS核心功能
1. 任务管理
多任务调度：基于优先级的抢占式调度算法，高优先级任务可立即中断低优先级任务。
任务创建与删除：通过 xTaskCreate() 创建任务，vTaskDelete() 删除任务。
任务状态：包括运行态、就绪态、阻塞态、挂起态等。
2. 同步与通信
信号量（Semaphore）：用于任务间同步或资源互斥（如二进制信号量、计数信号量）。
消息队列（Queue）：任务间数据传递的高效机制。
互斥锁（Mutex）：支持优先级继承，避免死锁。
3. 时间管理
软件定时器：支持周期性或一次性任务触发。
延迟函数：vTaskDelay() 可精确控制任务休眠时间。
4. 内存管理
提供多种堆内存分配方案（Heap_1 至 Heap_5），适应不同场景需求：
Heap_1：固定内存分配，无碎片，但无法释放内存。
Heap_2/Heap_4：支持动态分配和释放，采用最佳匹配或优先匹配算法。
Heap_5：支持多堆分区，适用于复杂内存管理需求。
5. 中断与硬件交互
提供 API（如 xTaskNotifyFromISR()）实现中断与任务的高效通信。
2. Free RTOS常用函数
2.1 任务
xTaskCreate() //创建一个新任务。
vTaskDelete() //删除一个任务。
vTaskDelay() //延迟当前任务指定的时间周期（滴答数）。
vTaskPrioritySet() //动态设置任务优先级。
xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 100, NULL, 1, NULL);
xTaskCreate(vTask1, "Task 2", 100, NULL, 2, NULL); // 优先级2
vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS); // 延时1000ms (1秒)
vTaskDelete(NULL); // 删除当前任务
vTaskStartScheduler(); // 启动调度器
2.2 队列
xQueueCreate() //创建一个队列。
xQueueSend() // 于向队列发送数据
xQueueReceive() //分别用和从队列接收数据。
xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY);
xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY);
xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int)); // 创建一个队列，最多10个整数
2.3 信号量
xSemaphoreCreateBinary() // 创建一个二进制信号量。
xSemaphoreTake() // 获取信号量
xSemaphoreGive() // 释放信号量。
SemaphoreHandle_t xSemaphore; // 创建信号量
xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary(); // 初始信号量
xSemaphoreGive(xSemaphore); // 释放信号量
SemaphoreHandle_t xCountingSemaphore = xSemaphoreCreateCounting(maxCount, initialCount); // 创建计数信号量
2.4 互斥量
xSemaphoreCreateMutex() //创建一个互斥锁。
xSemaphoreTake()
xSemaphoreGive() //释放互斥锁
xMutex = xSemaphoreCreateMutex(); // 初始互斥量
if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
// 访问受保护资源的代码
}
2.5 软定时器
TimerHandle_t xTimer;
void vTimerCallback(TimerHandle_t xTimer) {
}// 定时器回调函数代码
xTimer = xTimerCreate("Timer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, 0, vTimerCallback);// 创建定时器
xTimerStart(xTimer, 0); // 启动定时器
2.6 配置参数
#define configUSE_PREEMPTION 1
#define configUSE_IDLE_HOOK 0
#define configUSE_TICK_HOOK 0
#define configCPU_CLOCK_HZ ( ( unsigned long ) 72000000 ) // 时钟频率
#define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 1000 ) // 系统节拍时间，单位是 Hz
#define configMAX_PRIORITIES ( 5 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 128 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 10 * 1024 ) ) // 堆内存大小
2.7 状态
void check_task_state(TaskHandle_t xTask)
{
eTaskState state = eTaskGetState(xTask);
switch(state) {
case eRunning:
printf("Task is Running\r\n");
break;
case eReady:
printf("Task is Ready\r\n");
break;
case eBlocked:
printf("Task is Blocked\r\n");
break;
case eSuspended:
printf("Task is Suspended\r\n");
break;
case eDeleted:
printf("Task is Deleted\r\n");
break;
case eInvalid:
printf("Task State is Invalid\r\n");
break;
}
2.8 延时函数
FreeRTOS 中常用的延时函数有两个 vTaskDelay 和 vTaskDelayUntil
vTaskDelay（相对延时）
功能： 使任务暂停执行一段固定时间，从调用函数的时刻开始计算。
特点
相对性：延时时间仅与调用时刻相关，不考虑系统全局时间。
简单直接：适合需要短暂暂停的任务（如等待传感器数据准备就绪）。
不保证周期性：若任务执行时间不确定，可能导致周期漂移。
// xTicksToDelay：延时时间，单位为 Tick（可通过 pdMS_TO_TICKS() 将毫秒转换为 Tick）。
vTaskDelay(xTicksToDelay)
void vTaskExample1(void *pvParameters) {
while (1) {
// 任务逻辑（如执行某操作）
printf("Task is running...\n");
// 延时1秒（相对延时）
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 1秒后继续执行
}
}
vTaskDelayUntil（绝对延时）
功能： 使任务以固定周期执行，确保任务在指定时间间隔后重新激活。
特点：
绝对性：基于系统时间戳，确保任务周期严格固定。
自适应调整：即使任务执行时间波动，仍能保持周期性。
需初始化：首次调用前必须用 xTaskGetTickCount() 初始化 pxPreviousWakeTime。
// pxPreviousWakeTime：指向一个变量，记录上次任务唤醒的时间（需初始化）
// xTimeIncrement：任务周期（单位：Tick，可通过 pdMS_TO_TICKS() 转换）
vTaskDelayUntil(pxPreviousWakeTime, xTimeIncrement)
void vTaskExample2(void *pvParameters) {
TickType_t xLastWakeTime; // 记录上次唤醒时间
const TickType_t xFrequency = pdMS_TO_TICKS(1000); // 周期1秒
xLastWakeTime = xTaskGetTickCount(); // 初始化时间戳
while (1) {
// 任务逻辑（如定时采样）
printf("Task is running every 1 second...\n");
// 延时直到下一个周期
vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
}
}
3. 编译报错
报错1： identifier “SystemCoreClock” is undefined
compiling port.c…
…\Driver\FreeRTOS\port\RVDS\ARM_CM4F\port.c(813): error: #20: identifier “SystemCoreClock” is undefined
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
解决办法
1：在FreeRTOSConfig.h中添加芯片头文件 #include “gd32f4xx.h”
2：将下面代码替换工程内的代码
#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)
#include <stdint.h>
extern uint32_t SystemCoreClock;
#endif
报错2：multiply defind
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6200E: Symbol SVC_Handler multiply defined (by port.o and gd32f4xx_it.o).
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6200E: Symbol PendSV_Handler multiply defined (by port.o and gd32f4xx_it.o).
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6200E: Symbol SysTick_Handler multiply defined (by port.o and gd32f4xx_it.o).
解决办法
在gd32f4xx_it.c中注释掉相关代码
报错3：Undefined symbol
linking...
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6218E: Undefined symbol vApplicationIdleHook (referred from tasks.o).
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6218E: Undefined symbol vApplicationStackOverflowHook (referred from tasks.o).
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6218E: Undefined symbol vApplicationTickHook (referred from tasks.o).
.\output\gd450_demo.axf: Error: L6218E: Undefined symbol vApplicationMallocFailedHook (referred from heap_4.o).
解决方法
在FreeRTOSConfig.h中更改对应宏定义
————————————————
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_45113070/article/details/147035067
|
楼主
标题置顶
标题高亮
