FreeRTOS

0.基础知识

RTOS :Real Time Operating System 实时操作系统

实时:任务或者说实现一个功能的线程必须在给定时间内完成

几个重要的概念

• 时间片时间片是实现时间片轮转调度算法的核心机制 就是说一个任务的执行只有固定的时间
• 分配时间片操作系统会给每个任务分配固定的时间片
• 任务调度器调度器决定了什么时候执行什么任务.FreeRTOS一般采用固定优先级的抢占式调度策略,即高优先级的可以抢占低优先级
• 任务执行当一个任务被调度器选中的时候,就给在分配给它的时间片内执行

如果当前任务在时间片还没有结束的时候就执行完成了 剩下的时间系统会切换至下一个任务直到当前时间片完成 然后操作系统再切换任务到下一个任务执行

• 上下文切换(核心)在任务切换的时候 操作系统要保存当前任务的状态(如寄存器的值,程序计数器等) 并且加载下一个任务的状态
• 时间片轮转调度
• • 仅当多个任务处于相同优先级时，时间片轮转调度才会生效
  • 高优先级任务会直接抢占低优先级任务（无论时间片是否用完）
  • 在 FreeRTOS 中，一个时间片（Time Slice）的具体时长取决于系统节拍（SysTick）的频率配置，即 configTICK_RATE_HZ

任务状态

​ 一个任务有四种状态: 运行态(X) 就绪态(R) 挂起态(S) 阻塞态(B)

其中 除了运行态,其他三种状态都有对应的任务状态列表:

就绪列表:通过一个数组pxReadyTasksLists[x] 实现(x表示任务的优先级) 每一个数组下面又挂着一个双向链表,类比哈希表

阻塞列表:由两个双向链表构成：pxDelayedTaskList和pxOverflowDelayedTaskList

• pxDelayedTaskList:用于存储当前周期内需要等待的任务
• pxOverflowDelayedTaskList:用于处理时间溢出的情况，确保长时间等待的任务能够正确处理

挂起列表:挂起列表是一个双向链表，称为xSuspendedTaskList,调用vTaskSuspend()函数可以将任务添加到这个列表中，而调用vTaskResume()函数则可以将其从列表中移除并转换成就绪态

什么时候进行上下文切换?

在需要切换任务的时候进行上下文切换，真正执行上下文切换是在PendSV(可挂起系统服务)的ISR中处理的。使用PendSV是因为其可以手动触发，并且可以在其他更高中断优先级的ISR(中断服务程序)中来进行设置，比较灵活。

为什么要使用PendSV中断切换呢?

• 手动触发：通过将中断控制和状态寄存器（ICSR）的bit28位置1来手动触发。
• 最低优先级：FreeRTOS通常将其设置为最低优先级，确保只有在没有其他更高优先级的中断处理时才会执行任务切换，避免影响正常ISR的执行。

既然PendSV优先级最低,那会不会在PendSV的ISR中被其他中断打断呢?

在PendSV的中断服务程序（ISR）开头，FreeRTOS会先用汇编指令 CPSID I（关闭全局中断），确保切换过程不会被其他中断干扰。在切换结束、准备返回新任务前，才会用 CPSIE I 重新打开中断

PendSV的触发条件是什么?

• RTOS滴答中断
• 任务结束
• 强制切换:某些情况下，任务可能需要主动调用任务切换函数（如vTaskSwitchContext()），这通常发生在任务释放资源、信号量等之后，确保系统能够及时响应新的就绪态任务。

FreeRTOS的滴答

在每个滴答中断（RTOS滴答中断）期间，内核需要进行以下操作：

• 更新全局滴答计数
• 检查任务状态
• • 休眠任务有没有到时间
  • 阻塞任务有没有超出最大等待时间
• 优先级检查与上下文切换

空闲任务

在任务调度器启动的时候,系统会自动创建一个空闲任务

• 确保系统始终有任务可以执行 避免CPU进行空转或进入未知状态
• 以最低优先级创建 可以随时被打断
• 可以释放被删除任务的内存

1.动态创建任务xTaskCreate

创建一项新任务并将其添加到准备运行的任务列表中。configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION必须在 FreeRTOSConfig.h 中设置为 1，或处于未定义状态（默认为 1）， 才可使用此 RTOS API 函数。

 BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode,
                         const char * const pcName,
                         const configSTACK_DEPTH_TYPE uxStackDepth,
                         void *pvParameters,
                         UBaseType_t uxPriority,
                         TaskHandle_t *pxCreatedTask
                       );
// 参数:
                            pxTaskCode: 任务函数
                            pcName: 任务名字
                            usStackDepth: 堆栈大小
                            pvParameters: 任务参数
                            uxPriority: 任务优先级
                            pxCreatedTask: 任务句柄
// 返回：

                            如果任务创建成功，则返回 pdPASS，
                            否则返回 errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY。

要分配用作任务堆栈的字数（不是字节数！）。例如，如果 堆栈宽度为 16 位，uxStackDepth 为 100，则将分配 200 字节用作任务 堆栈。再举一例，如果堆栈宽度为 32 位，uxStackDepth 为 400， 则将分配 1600 字节用作任务堆栈。

2.静态创建任务xTaskCreateStatic

创建一项新任务并将其添加到准备运行的任务列表中。configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 必须在

FreeRTOSConfig.h中设置为 1，才可使用此 RTOS API 函数。

TaskHandle_t xTaskCreateStatic( TaskFunction_t pxTaskCode,
                                 const char * const pcName,
                                 const uint32_t ulStackDepth,
                                 void * const pvParameters,
                                 UBaseType_t uxPriority,
                                 StackType_t * const puxStackBuffer,
                                 StaticTask_t * const pxTaskBuffer );
// 参数:
                                    pxTaskCode:任务函数
                                    pcName:任务名字
                                    ulStackDepth:任务栈的大小
                                    pvParameters:任务参数
                                    uxPriority:任务优先级
                                    puxStackBuffer:必须指向至少包含ulStackDepth个
                                                    索引的StackType_t数组
                                    pxTaskBuffer:必须指向StaticTask_t类型的变量。
                                    该变量将用于保存新任务的数据 结构体 (TCB)，
                                    因此必须持久存在（不能在函数的堆栈上声明）。
// 返回值:
                                    xTaskCreateStatic返回值为任务句柄

FreeRTOS要求静态分配时为空闲任务和软件定时器任务指定资源，是因为它们是内核自动创建的核心任务，且在静态模式下系统无法动态分配内存。通过用户显式提供内存，既能保证关键任务的可靠性，又能满足对内存布局的严格管控需求

// 5. 静态创建任务方式,需要手动指定2个特殊任务的资源
// 5.1 空闲任务的配置
#define IDLE_TASK_STACK 128
StackType_t idle_task_stack[IDLE_TASK_STACK];
StaticTask_t idle_task_tcb;

// 5.2 软件定时器任务的配置
StackType_t timer_task_stack[configTIMER_TASK_STACK_DEPTH];
StaticTask_t timer_task_tcb;
// 5.3 分配空闲任务的资源
void vApplicationGetIdleTaskMemory(StaticTask_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
                                   StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
                                   uint32_t *pulIdleTaskStackSize)
{
    *ppxIdleTaskTCBBuffer = &idle_task_tcb;
    *ppxIdleTaskStackBuffer = idle_task_stack;
    *pulIdleTaskStackSize = IDLE_TASK_STACK;
}

// 5.4 分配软件定时器任务的资源
void vApplicationGetTimerTaskMemory(StaticTask_t **ppxTimerTaskTCBBuffer,
                                    StackType_t **ppxTimerTaskStackBuffer,
                                    uint32_t *pulTimerTaskStackSize)
{
    *ppxTimerTaskStackBuffer = timer_task_stack;
    *ppxTimerTaskTCBBuffer = &timer_task_tcb;
    *pulTimerTaskStackSize = configTIMER_TASK_STACK_DEPTH;
}

3.进入临界区

通过调用 taskENTER_CRITICAL() 进入临界区，随后 通过调用 taskEXIT_CRITICAL() 退出临界区。

临界区（Critical Section）是一段不可被中断的代码，用于保护共享资源（如全局变量、硬件寄存器等）在多任务或中断环境下的原子性操作。

task. h
void taskENTER_CRITICAL( void );
void taskEXIT_CRITICAL( void );
/*
    作用:
                通常用于启动任务
                由于启动任务优先级最低 所以在启动任务创建其他任务的时候
                创建的任务的优先级都大于启动任务 所以可能会导致启动任务被抢占 从而导致异常
                这时候需要先进入临界区 该函数会内部会阻止其他任务抢占启动任务
    原理:
                内部禁用了中断 这样PendSV就不会执行 就不会造成当前启动任务被抢占
                该函数内部有一个全局变量 uxCriticalNesting 每次调用都会++
                退出该函数时会以uxCriticalNesting是否为0判断
                因此该函数应该成对出现 调用几次就要退出几次
*/

如果所使用的 FreeRTOS 移植使用了 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 内核配置常量，则调用 taskENTER_CRITICAL() 会禁用优先级等于或低于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 设置的优先级的中断， 并启用所有高于此优先级的中断。

抢占式上下文切换仅在中断内发生， 在中断被禁用时不会发生。 因此，调用 taskENTER_CRITICAL() 的任务一定会保持在运行状态， 直到退出临界区，除非任务明确试图阻塞或让出 （任务不应在临界区内部进行该操作）。

taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL() 的调用采用嵌套结构。因此，只有在每次调用 taskENTER_CRITICAL() 后执行相应的 taskEXIT_CRITICAL() 调用时， 才会退出临界区。

临界区必须尽量简短，否则会对中断响应时间产生不利影响。 每次调用 taskENTER_CRITICAL() 时，都必须有对应的 taskEXIT_CRITICAL() 调用。

不得从临界区调用 FreeRTOS API 函数。

不得从中断服务程序 (ISR) 调用 taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL()

4.临界区底层原理

在部分架构（如 ARM Cortex-M）中，taskENTER_CRITICAL() 会通过设置 CPU 的中断屏蔽寄存器BASEPRI来屏蔽特定优先级以下的中断，而不是完全关闭所有中断。

例如，若配置 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 为 5，则优先级低于或等于 5 的中断会被屏蔽，但更高优先级的中断（如实时性要求极高的硬件中断）仍可响应。

高四位非零：定义异常处理的基础优先级。处理器不会处理任何优先级值大于或等于 BASEPRI 的异常。

5.任务的挂起与恢复

vTaskSuspend()挂起任务, 类似暂停，可恢复

vTaskResume()恢复被挂起的任务

xTaskResumeFromISR()在中断中恢复被挂起的任务

/*
    INCLUDE_vTaskSuspend 必须定义为 1，才可使用此函数。
    挂起任意任务。无论任务优先级如何，任务被挂起后将永远无法获取任何微控制器处理时间。
    对vTaskSuspend的调用不会累积次数，例如：若在同一任务上调用 vTaskSuspend()两次将仍然仅需调用一    次vTaskResume()即可准备完毕挂起的任务。
    
    参数:         xTaskToSuspend
              被挂起的任务句柄。传递空句柄将导致调用任务被挂起。
*/
void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );

/*
    INCLUDE_vTaskSuspend必须定义为 1，才可使用此函数。
    恢复已挂起的任务。
    因一次或多次调用vTaskSuspend()而挂起的任务可通过 单次调用vTaskResume()恢复运行。
    
    参数:         xTaskToResume
              待恢复任务的句柄。
*/
void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );

6.调度器的挂起与恢复

挂起调度器。挂起调度器会阻止上下文切换， 但会让中断处于启用状态。如果调度器被挂起时，中断请求切换上下文， 那么请求将会被挂起。而且只有在调度器恢复（取消挂起）时才会执行。

void vTaskSuspendAll( void );
/*
        对 vTaskSuspendAll()的调用可以嵌套。调用 xTaskResumeAll()的次数 必须与先前调用         vTaskSuspendAll()的次数相同， 然后调度器将取消挂起状态并重新进入活动状态。
        xTaskResumeAll()只能在正在执行的任务中调用， 因此不能在调度器处于初始化状态时（启动调度器之前）调用。
        不得在调度器挂起时调用其他 FreeRTOS API 函数。
        调度器挂起时，禁止调用可能切换上下文的 API 函数
*/

恢复通过调用 vTaskSuspendAll() 挂起的调度器。

xTaskResumeAll() 仅恢复调度器，不会恢复 之前通过调用 vTaskSuspend() 而挂起的任务。

返回：如果恢复调度器导致了上下文切换，则返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。

BaseType_t xTaskResumeAll( void );

7.中断管理

FreeRTOS利用BASEPRI寄存器实现中断管理，屏蔽优先级低于某一个阈值的中断。

#define portDISABLE_INTERRUPTS()                  vPortRaiseBASEPRI()
#define portENABLE_INTERRUPTS()                   vPortSetBASEPRI( 0 )
// vPortRaiseBASEPRI是一个内连汇编函数，如下。
static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
    uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
    __asm
    {
        /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
            * section. */
/* *INDENT-OFF* */
        msr basepri, ulNewBASEPRI
        dsb
        isb
/* *INDENT-ON* */
    }
}

该函数先把configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY赋值给ulNewBASEPRI，然后通过msr指令将ulNewBASEPRI的值赋给BASEPRI寄存器。

// vPortSetBASEPRI也是一个内联汇编函数，如下
static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
    __asm
    {
        /* Barrier instructions are not used as this function is only used to
            * lower the BASEPRI value. */
/* *INDENT-OFF* */
        msr basepri, ulBASEPRI
/* *INDENT-ON* */
    }
}

该函数将ulBASEPRI赋值给BASEPRI寄存器。因此，portENABLE_INTERRUPTS()宏的逻辑是将0赋给BASERPI，不再屏蔽任何中断。

8.任务相关API函数

9.获取任务的运行时间

void vTaskGetRunTimeStats( char *pcWriteBuffer );

必须configGENERATE_RUN_TIME_STATS,configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS和configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION定义为1才可使用该函数

此外，应用程序还必须提供 portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()
和 portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE的定义，分别用于配置外设定时器/计数器和返回定时器的当前计数值。计数器的频率应该至少是 滴答计数的 10 倍

/* 运行时间和任务状态统计相关定义 */
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS    1      /* 1: 使能任务运行时间统计功能, 默认: 0 */
#if configGENERATE_RUN_TIME_STATS
extern volatile unsigned long ulHighFrequencyTimerTicks;
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() ( ulHighFrequencyTimerTicks = 0UL )
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()    ulHighFrequencyTimerTicks
#endif
#define configUSE_TRACE_FACILITY               1                      
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS   1  

• portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUNTIME_STATE()：用于初始化用于配置任务运行时间统计的时基定时器。它的时间精度需要比 tick 中断具有更高的精度，建议10到100倍。
• portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()：返回该定时器的计数值，即当前已运行的时间。

10.相对延迟和绝对延迟

// 相对延迟
void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );
// 绝对延迟
void vTaskDelayUntil( TickType_t *pxPreviousWakeTime,
                      const TickType_t xTimeIncrement );

/*
        参数:
                pxPreviousWakeTime:指向一个变量的指针，该变量用于保存任务最后一次解除阻塞的                                           时间。该变量在首次使用前 必须用当前时间初始化
                xTimeIncrement:    周期时间段。
                                该任务将在 (*pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement)时间解除                                阻塞。使用相同的xTimeIncrement参数值调用 vTaskDelayUntil将                                  导致任务以固定的间隔期执行
*/

// 相对延迟:执行到该函数处再延迟额外的时间
// 绝对延迟:整个任务一共就那么多时间

11.消息队列

创建新队列并返回一个可以引用该队列的句柄

 QueueHandle_t xQueueCreate( UBaseType_t uxQueueLength,
                             UBaseType_t uxItemSize );

uxQueueLength:队列一次可存储的最大项目数。

uxItemSize:存储队列中每个项目所需的大小（以字节为单位）。

12.信号量

二值信号量

计数型信号量

优先级翻转

典型的优先级翻转场景如下：

• 任务A（高优先级）：拥有高优先级，需要访问共享资源，比如一个关键数据结构。
• 任务B（低优先级）：拥有低优先级，目前正在访问该共享资源。
• 任务C（中优先级）：位于任务A和任务B之间，具有介于两者之间的优先级。

互斥信号量

13.队列集

14.事件标志组

EventBits_t xEventGroupWaitBits(
                      const EventGroupHandle_t xEventGroup,
                      const EventBits_t uxBitsToWaitFor,
                      const BaseType_t xClearOnExit,
                      const BaseType_t xWaitForAllBits,
                      TickType_t xTicksToWait );
/*
    参数:
                句柄
                等待哪些比特位(掩码)
                满足等待的条件后,是否要将对应的bit清0
                所有bit位都满足还是其中有一位置1即可
                阻塞等待
*/

15.任务通知

​ 任务通知是 FreeRTOS 中一种用于任务间通信的机制,它允许一个任务向其他任务发送简单的通知或信号,任务通知通常用于替代二值信号量或事件标志组，提供了更轻量级的任务间通信方式。

​ 任务通知无需使用中间对象,可直接通信

每个 RTOS 任务都有一个任务通知组，每条通知均独立运行，都有“挂起”或“非挂起”的通知状态，以及一个 32 位通知值。常量 configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES 可设置任务通知组中的索引数量。

 BaseType_t xTaskNotifyGive( TaskHandle_t xTaskToNotify );

 BaseType_t xTaskNotifyGiveIndexed( TaskHandle_t xTaskToNotify, 
                                    UBaseType_t uxIndexToNotify );
 BaseType_t xTaskNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify,
                         uint32_t ulValue,
                         eNotifyAction eAction );


 BaseType_t xTaskNotifyIndexed( TaskHandle_t xTaskToNotify,
                                UBaseType_t uxIndexToNotify,
                                uint32_t ulValue,
                                eNotifyAction eAction );
uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit,
                           TickType_t xTicksToWait );
   
uint32_t ulTaskNotifyTakeIndexed( UBaseType_t uxIndexToWaitOn, 
                                  BaseType_t xClearCountOnExit, 
                                  TickType_t xTicksToWait );
/*
    参数:
            xClearCountOnExit:     pdTRUE:接收完是清0   pdFALSE:减1
            xTicksToWait:        阻塞时间
            返回值:              被递减或清除之前的任务通知值的值
*/

 BaseType_t xTaskNotifyWait( uint32_t ulBitsToClearOnEntry,
                             uint32_t ulBitsToClearOnExit,
                             uint32_t *pulNotificationValue,
                             TickType_t xTicksToWait );

 BaseType_t xTaskNotifyWaitIndexed( UBaseType_t uxIndexToWaitOn,
                                    uint32_t ulBitsToClearOnEntry,
                                    uint32_t ulBitsToClearOnExit,
                                    uint32_t *pulNotificationValue,
                                    TickType_t xTicksToWait );
/*
    xTaskNotifyWait() 和 xTaskNotifyWaitIndexed() 是等效宏，唯一区别在于 xTaskNotifyWaitIndexed() 可以操作数组中的任何任务通知， 而 xTaskNotifyWait() 总是操作数组中索引为 0 的任务通知。
*/

16.软件定时器

FreeRTOS 中的软件定时器是一种轻量级的时间管理工具，用于在任务中创建和管理定时器。软件定时器是基于 FreeRTOS 内核提供的时间管理功能实现的，允许开发者创建、启动、停止、删除和管理定时器，从而实现在任务中对时间的灵活控制。

软件定时器与硬件定时器的主要区别如下：

软件定时器相关函数如下：

FreeRTOS 中的软件定时器有三种状态，分别是：

• 未创建（Uncreated）：软件定时器被创建之前的状态。在这个状态下，定时器的数据结构已经被定义，但尚未通过 xTimerCreate() 函数创建。
• 已创建（Created）：软件定时器已被成功创建，但尚未启动。在这个状态下，可以对定时器进行配置，如设置定时器的周期、回调函数等，但定时器并未开始计时。
• 已运行（Running）：软件定时器已经被启动，正在运行中。在这个状态下，定时器会按照预定的周期定时触发超时事件，执行注册的回调函数。

在 FreeRTOS 中，软件定时器主要有两种类型：一次性定时器和周期性定时器。

• 一次性定时器（One-shot Timer）： 这种定时器在触发一次超时后就会停止，不再执行。适用于只需在特定时间执行一次任务或动作的场景。
• 周期性定时器（Periodic Timer）： 这种定时器会在每个超时周期都触发一次，循环执行。适用于需要在固定的时间间隔内重复执行任务或动作的场景。

17.Tickless低功耗模式

#define configUSE_TICKLESS_IDLE                         1
#include "FreeRTOS_demo.h"
#define configPRE_SLEEP_PROCESSING( x )         PRE_SLEEP_PROCESSING()
#define configPOST_SLEEP_PROCESSING( x )        POST_SLEEP_PROCESSING()

18.内存管理

内存管理相关函数如下：

问题

// 将FreeRTOS移植到stm32上的时候,为什么要在systick中断里面加上下面这段代码
  if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED)
  {
    xPortSysTickHandler();
  }

1. FreeRTOS需要一个定期的时基（tick）来驱动任务调度。例如，当时间片用完时，调度器会进行任务切换；延时函数也是基于tick计数实现的。
2. FreeRTOS提供了一个名为xPortSysTickHandler的函数（在port.c文件中），这个函数就是SysTick中断的服务函数，用于处理与操作系统相关的时基更新和任务调度。

• • FreeRTOS需在SysTick中断中执行关键调度操作：
• • • 更新系统时钟计数器（xTickCount++）
    • 检查任务阻塞超时（如vTaskDelay()）
    • 触发任务切换（若时间片到期）

xPortSysTickHandler()的作用

​ 该函数是FreeRTOS移植层的核心，由官方提供（位于port.c）。它包含：

​ 时基更新与任务调度逻辑

​ 可移植的汇编代码（如PendSV触发）

​ 优先级处理等硬件相关操作

条件判断的必要性

if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED) {
    xPortSysTickHandler();
}

• 防止调度器启动前调用：在vTaskStartScheduler()执行前调用FreeRTOS代码会导致崩溃。
• 安全退出机制：系统终止时（如调用vTaskEndScheduler()）需停止响应Tick。