FreeRTOS笔记
2022-09-13 16:52:48 2 举报AI智能生成
FreeRTOS是一个开源的实时操作系统内核，适用于微控制器和嵌入式系统。它提供了任务调度、同步与互斥、内存管理等功能，使得开发者能够轻松地构建复杂的实时应用程序。FreeRTOS具有高度可移植性，支持多种处理器架构，如ARM、MSP430等。此外，FreeRTOS还具有良好的文档和社区支持，便于学习和使用。总之，FreeRTOS是一个强大且易于使用的实时操作系统，适用于各种嵌入式应用场景。
作者其他创作
大纲/内容
可以容纳多个数据，创建队列时有2部分内存: 队列结构体、存储数据的空间
生产者：没有空间存入数据时可以阻塞
消费者：没有数据时可以阻塞
队列
只有计数值，无法容纳其他数据。创建信号量时，只需要分配信号量结构体
生产者：用于不阻塞，计数值已经达到最大时返回失败
消费者：没有资源时可以阻塞
信号量
信号量与队列的对比
一块空闲的内存，需要提供管理函数
malloc：从堆里划出一块空间给程序使用
free：用完后，再把它标记为\"空闲\"的，可以再次使用
函数
堆（heap）
函数调用时局部变量保存在栈中，当前程序的环境也是保存在栈中
可以从堆中分配一块空间用作栈
栈（stack）
堆和栈
内存管理
运行（running）
设置超时时间：在指定时间内阻塞，时间到了就进入就绪状态
时间相关的事件
事件通过：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)等来获取事件
同步事件：事件由别的任务，或是中断程序产生
等待事件到来
阻塞状态(Blocked)
void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );
参数xTaskToSuspend表示要暂停的任务，如果为NULL，表示暂停自己
暂停
其他任务调用：vTaskResume
中断程序调用：xTaskResumeFromISR
退出暂停
暂停状态(Suspended)
任务随时可以运行
就绪状态(Ready)
非运行(Not Running)
任务状态
至少等待指定个数的Tick Interrupt才能变为就绪状态
从进入delay开始到退出这段时间
vTaskDelay
等待到指定的绝对时刻，才能变为就绪态
可以使用xTaskDelayUntil来让任务周期性地运行
从任务开始运行到下一次任务运行之前的时间
PS：需要考虑到delay的时间要比任务运行的时间长
vTaskDelayUntil
Delay函数
释放被删除的任务的内存
就绪态与运行态
不能阻塞与暂停
只有两种状态
空闲任务的循环每执行一次，调用一次钩子函数
执行一些低优先级的、后台的、需要连续执行的函数
测量系统的空闲时间，可以算出处理器占用率
系统进入省电模式
可以做的事情
把这个宏定义为1：configUSE_IDLE_HOOK
实现 vApplicationIdleHook 函数
开启函数条件
空闲任务的钩子函数(Idle Task Hook Functions)
空闲任务（idle）
怎么确定哪个就绪态的任务可以切换为运行状态
configUSE_TIME_SLICING
configUSE_PREEMPTION
configUSE_TICKLESS_IDLE
用于关闭Tick中断来实现省电。
高级选项
配置文件FreeRTOSConfig.h的两个配置项
配置调度算法
高优先级的任务先运行、同优先级的就绪态任务如何被选中。
调度算法要确保同优先级的就绪态任务，能\"轮流\"运行。
并不保证任务的运行时间是公平分配的。
策略是\"轮转调度\"(Round Robin Scheduling)
行为体现
被称作\"可抢占调度\"(Pre-emptive)，高优先级的就绪任务马上执行。
可以
被称作\"合作调度模式\"(Co-operative Scheduling)，不能抢就只能协商。
当前任务执行时，更高优先级的任务就绪了也不能马上运行，只能等待当前任务主动让出CPU资源。
更高优先级的任务都不能抢占，其他同优先级的任务也只能等待。
不可以
1.可否抢占？高优先级的任务能否优先执行(配置项: configUSE_PREEMPTION)
被称为\"时间片轮转\"(Time Slicing)，同优先级的任务轮流执行，你执行一个时间片、我再执行一个时间片
轮流执行
(without Time Slicing），当前任务会一直执行，直到主动放弃、或者被高优先级任务抢占
不轮流执行
2.可抢占的前提下，同优先级的任务是否轮流执行(配置项：configUSE_TIME_SLICING)
1）.空闲任务优先级最低，每执行一次循环，就看看是否主动让位给用户任务
2）.空闲任务跟用户任务一样，大家轮流执行，没有谁更特殊
3.在\"可抢占\"+\"时间片轮转\
可抢占+时间片轮转+空闲任务让步
常用配置
3个角度统一理解多种调度算法
调度算法
任务管理
多任务系统是一个团队，每一个任务就是团队里的一个人
A是厨师炒菜，B是服务员上菜，B必须等待A菜做好之后才能上菜，B依赖A
同步
B对A说用完灶台后提醒我，同步实现互斥
A厨师用灶台炒菜，B厨师长也想用，B只能等着
互斥
“同步”可以实现“互斥”
同一时间只能有一个人使用的资源，被称为临界资源
临界资源
概念
A获取资源，用完后A释放资源
A获取不到资源则阻塞，B释放资源并把A唤醒
A获取不到资源则阻塞，并定个闹钟；A要么超时返回，要么在这段时间内因为B释放资源而被唤醒。
具有类似的操作方法：获取/释放、阻塞/唤醒、超时
任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)
内核方法实现有
数据、状态都可以传输，使用任务通知时，必须指定接受者
N对1的关系：发送者无限制，接收者只能是这个任务
会被覆盖
发通知给谁？必须指定接收任务
只能由接收任务本身获取该通知
核心是任务的TCB里的数值
任务通知
数据：若干个数据谁都可以往队列里放数据，谁都可以从队列里读数据
用来传递数据，发送者、接收者无限制，一个数据只能唤醒一个接收者
数量：0~n谁都可以增加一个数量，谁都可消耗一个数量
用来维持资源的个数，生产者、消费者无限制，1个资源只能唤醒1个接收者
任务、ISR释放信号量时让计数值加1
任务、ISR获得信号量时，让计数值减
核心是\"计数值\"
一个事件用一bit表示，1表示事件发生了，0表示事件没发生
多个位：或、与谁都可以设置(生产)多个位，谁都可以等待某个位、若干个位
用来传递事件，可以是N个事件，发送者、接受者无限制，可以唤醒多个接收者：像广播
事件组
位：数值只有0或1我上锁：1变为0，只能由我开锁：0变为1
就像一个房间，谁使用谁上锁，也只能由他开锁
谁获得互斥量，就必须由谁释放同一个互斥量
互斥量
内核对象
同步互斥与通信
可以用于\"任务到任务\"、\"任务到中断\"、\"中断到任务\"直接传输信息。
队列中有若干项，称为\"长度\"(length)
每个数据大小固定，创建队列时就要指定长度、数据大小
数据的操作采用先进先出的方法(FIFO，First In First Out)：写数据时放到尾部，读数据时从头部读
PS：读取队列中的头部数据后，该数据会被删除，头部指向下一个数据
PS：数据写到队列头部，不会覆盖原来头部的数据
基本知识点
局部变量的值可以发送到队列中，后续即使函数退出、局部变量被回收，也不会影响队列中的数据
无需分配buffer来保存数据，队列中有buffer
局部变量可以马上再次使用
发送任务、接收任务解耦：接收任务不需要知道这数据是谁的、也不需要发送任务来释放数据
如果数据实在太大，你还是可以使用队列传输它的地址
队列的空间有FreeRTOS内核分配，无需任务操心
拷贝：把数据、把变量的值复制进队列里
对于有内存保护功能的系统，如果队列使用引用方法，也就是使用地址，必须确保双方任务对这个地址都有访问权限。
引用：把数据、把变量的地址复制进队列里
传输数据的两种方法
只要知道队列的句柄，谁都可以读、写该队列。
可以设置定时：如果能读写了就马上进入就绪态，否则就阻塞直到超时。
如果读写不成功，则阻塞；可以指定超时时间。
当队列中有数据时，优先级最高的任务会进入就绪态
任务的优先级相同，那等待时间最久的任务会进入就绪态
读取队列的任务个数没有限制，当多个任务读取空队列时，这些任务都会进入阻塞状态：
任务读队列时，如果队列没有数据，则该任务可以进入阻塞状态：还可以指定阻塞的时间，队列有数据了，则该阻塞的任务会变为就绪态。如果一直都没有数据，则时间到之后它也会进入就绪态。
当队列中有空间时，优先级最高的任务会进入就绪态
写队列的任务个数没有限制，当多个任务写\"满队列\"时，这些任务都会进入阻塞状态：
任务要写队列时，如果队列满了，该任务也可以进入阻塞状态：可以指定阻塞的时间。队列有空间了，则该阻塞的任务会变为就绪态。如果一直都没有空间，则时间到之后它也会进入就绪态。
说明
队列的阻塞访问
特性
怎么创建、清除、删除队列
队列中消息如何保存
怎么向队列发送数据、怎么从队列读取数据、怎么覆盖队列的数据
在队列上阻塞是什么意思
怎么在多个队列上阻塞
读写队列时如何影响任务的优先级
主要问题
流程：创建队列、写队列、读队列、删除队列。
xQueueCreate，队列的内存在函数内部动态分配
uxQueueLength：队列长度，最多能存放多少个数据(item)
uxItemSize：每个数据(item)的大小：以字节为单位
返回值：非0：成功，返回句柄，以后使用句柄来操作队列NULL：失败，因为内存不足
动态分配内存
xQueueCreateStatic，队列的内存要事先分配好
pucQueueStorageBuffer：如果uxItemSize非0，pucQueueStorageBuffer必须指向一个uint8_t数组，此数组大小至少为\"uxQueueLength * uxItemSize\"
pxQueueBuffer：必须执行一个StaticQueue_t结构体，用来保存队列的数据结构
返回值：非0：成功，返回句柄，以后使用句柄来操作队列NULL：失败，因为pxQueueBuffer为NULL
静态分配内存
创建方法
队列刚被创建时，里面没有数据；使用过程中可以调用 xQueueReset() 把队列恢复为初始状态
pxQueue : 复位哪个队列（队列句柄）
返回值: pdPASS(必定成功)
BaseType_t xQueueReset( QueueHandle_t pxQueue);
复位
只能删除使用动态方法创建的队列，它会释放内存
void vQueueDelete( QueueHandle_t xQueue );
删除
可以把数据写到队列头部，也可以写到尾部
在任务中使用
在ISR中使用
写队列头部
写队列尾部
写队列
读到一个数据后，队列中该数据会被移除
xQueue：队列句柄，要读哪个队列
pvBuffer：bufer指针，队列的数据会被复制到这个buffer复制多大的数据？在创建队列时已经指定了数据大小
xTicksToWait：队列空则无法读出数据，可以让任务进入阻塞状态，xTicksToWait表示阻塞的最大时间(Tick Count)。 如果被设为0，无法读出数据时函数会立刻返回；如果被设为portMAX_DELAY，则会一直阻塞直到有数据可写
返回值：pdPASS：从队列读出数据errQUEUE_EMPTY：读取失败，因为队列为空
参数说明
两种方式
读队列
可以查询队列中有多少个数据、有多少空余空间
UBaseType_t uxQueueMessagesWaiting( const QueueHandle_t xQueue );
UBaseType_t uxQueueSpacesAvailable( const QueueHandle_t xQueue );
返回队列中可用数据的个数
查询
当队列长度为1时，可以使用 xQueueOverwrite() 或 xQueueOverwriteFromISR() 来覆盖数据。
当队列满时，函数会覆盖队列里的数据，可认为这些函数不会被阻塞。
PS：队列长度必须为1
xQueue: 写哪个队列
pvItemToQueue: 数据地址
覆盖
如果想让队列中的数据供多方读取，也就是说读取时不要移除数据，要保留数据
函数会从队列中复制出数据，但是不移除数据
如果队列中没有数据，那么\"偷看\"时会导致阻塞；一旦队列中有数据，以后每次\"偷看\"都会成功
xQueue: 偷看哪个队列
xTicksToWait: 没有数据的话阻塞一会
偷看
向队列写入一个结构体数据
typedef struct { ID_t eDataID; int32_t lDataValue;}Data_t;
分辨数据源
例如传输1000字节的结构体：把它的地址写入队列，对方从队列得到这个地址，使用地址去访问那1000字节的数据。
RAM的所有者、操作者，必须清晰明了
确保不能同时修改RAM，比如，在写队列之前只有由发送者修改这块RAM，在读队列之后只能由接收者访问这块RAM。
RAM应该是全局变量，或者是动态分配的内存。对于动然分配的内存，要确保它不能提前释放：要等到接收者用完后再释放。
使用地址来间接传输数据，数据放在RAM里，对于这块RAM：
队列的长度为1，只保存地址
大数据传输
队列长度只有1
因为是覆盖，那么无论邮箱中是否有数据，这些函数总能成功写入数据
写邮箱：新数据覆盖旧数据，在任务中使用 xQueueOverwrite() ，在中断中使用xQueueOverwriteFromISR() 。
第一次调用时会因为无数据而阻塞，一旦写入数据，以后读邮箱时总能成功。
读邮箱：读数据时，数据不会被移除；在任务中使用 xQueuePeek() ，在中断中使用xQueuePeekFromISR() 。
邮箱(Mailbox)
实操
队列(queue)
例：我的事做完了，通知你
例：厨师炒菜，炒好一个菜了，炒好两个菜了......
传递状态，并不需要传递具体的信息，更节省内存
怎么创建、删除信号量
怎么发送、获得信号量
什么是计数型信号量？什么是二进制信号量？
信号：起通知作用
当\"量\"没有限制时，它就是\"计数型信号量\"(Counting Semaphores)
当\"量\"只有0、1两个取值时，它就是\"二进制信号量\"(Binary Semaphores)
量：还可以用来表示资源的数量
支持的动作：\"give\"给出资源，计数值加1；\"take\"获得资源，计数值减1
计数：事件产生时\"give\"信号量，让计数值加1；处理事件时要先\"take\"信号量，就是获得信号量，让计数值减1。
资源管理：要想访问资源需要先\"take\"信号量，让计数值减1；用完资源后\"give\"信号量，让计数值加1
生产者为任务A、B，消费者为任务C、D
阻塞：没有值，设置闹钟(超时时间)
即刻返回失败：不等
一开始信号量的计数值为0，任务C、D想获得信号量，两种方式：
优先高优先级唤醒
优先级相同时，优先等待时间最长的
任务A、B可以生产资源，让信号量的计数值增加1，唤醒消费者，两种情况：
具体场景
计数型信号量的典型场景
信号量的计数值都有限制：限定了最大值。如果最大值被限定为1，那么它就是二进制信号量；如果最大值不是1，它就是计数型信号量。
被创建时初始值为0
二进制信号量
被创建时初始值可以设定
计数型信号量
两种类型对比
使用信号量时，先创建、然后去添加资源、获得资源。使用句柄来表示一个信号量
使用信号量时，要使用句柄来表明使用哪个信号量
计数值初始值为0
函数内部会分配信号量结构体
返回值: 返回句柄，非NULL表示成功
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void );
动态创建
此函数无需动态分配内存，所以需要先有一个StaticSemaphore_t结构体，并传入它的指针
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t*pxSemaphoreBuffer );
静态创建
uxMaxCount: 最大计数值
uxInitialCount: 初始计数值
SemaphoreHandle_t font color=\"#2196f3\
创建
对于动态创建的信号量，不再需要它们时，可以删除它们以回收内存
xSemaphore: 信号量句柄
void vSemaphoreDelete( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
xSemaphore：信号量句柄
如果二进制信号量的计数值已经是1，再次调用此函数则返回失败；
如果计数型信号量的计数值已经是最大值，再次调用此函数则返回失败
返回值：pdTRUE表示成功
BaseType_t xSemaphoreGive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
任务中使用
如果释放信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
pxHigherPriorityTaskWoken：
BaseType_t font color=\"#2196f3\
ISR中使用
give
如果无法马上获得信号量，阻塞一会
0：不阻塞，马上返回
portMAX_DELAY: 一直阻塞直到成功
其他值: 阻塞的Tick个数，可以使用 pdMS_TO_TICKS() 来指定阻塞时间为若干ms
xTicksToWait：
如果获取信号量导致更高优先级的任务变为了就绪态，则*pxHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE
take
give/take
信号量(semaphore)
为什么要实现互斥操作
怎么使用互斥量
互斥量导致的优先级反转、优先级继承
信号量初始值为1
厨师A要用灶台炒菜，\"take\"信号量成功，开火炒菜
厨师B也想炒菜，\"take\"信号量不成功，等待
厨师A用完灶台，\"give\"信号量；轮到任务B使用
PS：需要用户保证厨师B按规矩执行，不抢灶台使用，别的厨师不会\"give\"信号量
信号量例子
队列、信号量，都可以实现互斥访问
量：值为0、1
互斥：用来实现互斥访问
谁上锁，就只能由谁开锁
需用户自己保证，做好规定
定义
多任务系统中，任务A正在使用某个资源，使用过程中任务B也来使用的话，就可能导致问题
修改变量、设置结构体、在16位的机器上写32位的变量，这些操作都是非原子的。这些的操作过程都可能被打断，如果被打断的过程有其他任务来操作这些变量，就可能导致冲突
对变量的非原子化访问
多个任务同时调用它、任务和中断同时调用它，函数的运行也是安全的。可重入的函数也被称为\"线程安全\"(thread safe)
如果一个函数只使用局部变量，那么它就是线程安全
函数中一旦使用了全局变量、静态变量、其他外设，它就不是\"可重入的\"，如果此函数正在被调用，就必须阻止其他任务、中断再次调用它。所以引入了互斥量来保证
可重入的函数
使用场景
互斥量初始值为1
任务A想访问临界资源，先获得并占有互斥量，然后开始访问
任务B也想访问临界资源，也要先获得互斥量：被任务A占有了，于是阻塞
任务A使用完毕，释放互斥量；任务B被唤醒、得到并占有互斥量，然后开始访问临界资源
任务B使用完毕，释放互斥量
底层原理
##define configUSE_MUTEXES 1
PS:想使用互斥量，需要在配置文件FreeRTOSConfig.h中定义
互斥量是一种特殊的二进制信号量
使用互斥量时，先创建、然后去获得、释放它。使用句柄来表示一个互斥量
此函数内部会分配互斥量结构体
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void );
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutexStatic( StaticSemaphore_t *pxMutexBuffer);
释放互斥量
ISR中释放
获得互斥量
ISR中获得
其他函数
PS:互斥量不能在ISR中使用。
刚创建的互斥量可以被成功\"take
\"take\"互斥量成功的任务，被称为\"holder\"，只能由它\"give\"互斥量；别的任务\"give\"不成功
在ISR中不能使用互斥量
特点
低优先级任务A获得了串口的互斥量
高优先级任务B也想使用串口，它将会阻塞、等待A释放互斥量
高优先级的任务，被低优先级的任务延迟，这被称为\"优先级反转\"(priority inversion)
场景
互斥量可以通过\"优先级继承\"，可以很大程度解决\"优先级反转\"的问题，这也是FreeRTOS中互斥量和二级制信号量的差别
优先级反转
假设持有互斥锁的是任务A，如果更高优先级的任务B也尝试获得这个锁
任务B发现低优先级的A上锁后，就会把自己的高优先级状态给A
等任务A释放互斥锁时，它就恢复为原来的优先级
互斥锁内部就实现了优先级的提升、恢复
优先级继承
基本使用
任务A获得互斥量1，任务B获得互斥量2
任务A还要互斥量2才进行下一步，任务B也还要互斥量1才进行下一步，都阻塞等待互斥量解锁
死锁
任务A获得了互斥锁后，去调用另一个函数，这个函数也需要这个互斥锁
这个函数便阻塞等待任务A来释放互斥锁！
自我死锁
任务A获得递归锁M后，它还可以多次去获得这个锁
\"take\"了N次，要\"give\"N次，这个锁才会被释放
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateRecursiveMutex( void )；
BaseType_t xSemaphoreGiveRecursive( SemaphoreHandle_t xSemaphore );
释放
获得
递归锁
互斥量(mutex)
事件组的概念与操作函数
事件组的优缺点
怎么设置、等待、清除事件组中的位
使用事件组来同步多个任务
助手A备菜；助手B洗菜；助手C切菜
厨师看都准备好了便开始炒菜
厨师炒菜
四五家供应商可提供新鲜菜
厨师看哪家最快送到厨房便用哪家的炒菜
厨师买菜
使用说明
可简单认为是一个整数，它每一位表示一个事件
每一位事件的含义由用户决定，比如：Bit0表示用来串口是否就绪，Bit1表示数据是否接收完成
值为1表示事件已发生，值为0表示事件未发生
一个或多个任务、ISR都可以去写这些位；一个或多个任务、ISR都可以去读这些位
可以等待某一位、某些位中的任意一个，也可以等待多位
高8位留给内核使用，只能用其他的位来表示事件
子主题
事件组(event group)
FreeRTOS
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