FreeRTOS

任务管理

在任何时刻，只有一个任务可以处于运行状态！

FreeRTOS 是一个抢占式的实时多任务系统，其任务调度器也是抢占式的。高优先级的任务可以打断低优先级任务的运行而取得 CPU 的使用权，这样就保证了那些紧急任务的运行，我们就可以为那些对实时性要求高的任务设置一个很高的优先级。高优先级的任务执行完成以后重新把 CPU 的使用权归还给低优先级的任务。

任务函数一般包含一个死循环：

void TaskFunction(void *pvParameters) {
    int iVariableExample = 0;  // 任务实例独属的变量
    for(; ; ) {
        /* 完成任务功能 */
    }

    vTaskDelete(NULL);  // 跳出死循环，删除任务(传入NULL默认删除当前任务)
}

创建任务

xTaskCreate()函数

// task.h
BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
                        const char * const pcName,
                        const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
                        void * const pvParameters,
                        UBaseType_t uxPriority,
                        TaskHandle_t * const pxCreatedTask ) PRIVILEGED_FUNCTION;
/*
 * @return pdTRUE  任务创建成功
           errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY 内存堆空间不足，无法创建任务
 */

pvTaskCode：指向任务实现函数的指针（函数名）

任务通常是一个永不退出的C语言函数，用死循环实现。

pcName：（FreeRTOS不使用）用于辅助调试
usStackDepth：任务创建时，内核为它分配的栈空间大小，单位为字(word)

在32位微型处理器中，一个字由4字节组成。比如32位宽的栈空间，usStackDepth=100，则分配\(400B\)的栈空间。

应用程序在FreeRTOSConfig.h文件中定义常量configMINIMAL_STACK_SIZE决定空闲任务的栈空间大小。

pvParameters：传递到任务中的值
uxPriority：决定执行任务的优先级，从最低0到最高configMAX_PRIORITIES-1

configMAX_PRIORITIES在FreeRTOSConfig.h中定义，值越大，内核消耗的内存空间越多。

如果uxPriority大于configPRIORITIES，则自动封顶为最大合法值。

如果多个任务优先级相同，调度器会让这些任务轮流执行，每个任务执行一个时间片，在时间片起始时刻进入运行态，在时间片结束时刻退出运行态；在FreeRTOSConfig.h文件中定义的configTICK_RATE_HZ表示tick的频率，时间片长度为1/configTICK_RATE_HZ。

pxCreatedTask：传出任务的句柄，在API调用中对创建出的任务进行引用（比如改变优先级、删除任务）

void vTaskStartScheduler( void ) PRIVILEGED_FUNCTION;  // 启动任务调度器，任务开始执行

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P10~20.

任务状态

rtos_task_state_machine

Full task state machine

/*
 * Blocking API function e.g.
 * 代替（忙等待）的空循环，让任务在延迟期间进入阻塞态，可以去调度其它任务
 * @param xTicksToDelay 延迟tick周期数 = 延迟时间 / portTICK_RATE_MS
 */
void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay ) PRIVILEGED_FUNCTION;

void xTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,
                                const TickType_t xTimeIncrement )

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P24, 28, 29~30.

vApplacationIdleHook函数

FreeRTOSConfig.h中的常量configUSE_IDLE_HOOK定义为1时，Hook函数才会被调用。

void vApplacationIdleHook(void);  // 函数名固定，无参数，无返回值

vTaskPrioritySet函数

用于在调度器启动后改变任务的优先级。

void vTaskPrioritySet(xTaskHandle pxTask, unsigned portBASE_TYPE uxNewPriority);

pxTask：任务句柄，pxTask=NULL表示自身
uxNewPriority：目标优先级

vTaskPriorityGet函数

/*
 * @return 返回被查询任务的优先级,
 */
void vTaskPriorityGet(xTaskHandle pxTask);

vTaskDelete函数

/*
 * 内核为任务分配的内存空间会在删除后自动回收，任务1自己占用的内存或资源需要应用程序显式释放
 * @param pxTaskDelete 待删除任务句柄
 */
void vTaskDelete(xTaskHandle pxTaskToDelete);

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P36~37, 39~40.

队列管理

创建队列

创建队列时，RTOS从堆空间中分配内存空间，如果堆中空间不足，函数返回NULL

/*
 * @param  uxQueueLength 队列深度
 * @param  uxItemSize    队列中数据单元的长度
 * @return NULL 堆空间不足;非NULL，返回队列句柄
 */
xQueueHandle xQueueCreate(unsigned portBASE_TYPE uxQueueLength, unsigned portBASE_TYPE uxItemSize);

写入函数

/*
 * @param  xQueue        目标队列句柄，xQueueCreate函数的返回值
 * @param  pvItemToQueue 发送数据的指针（按uxItemSize复制对应长度）
 * @param  xTicksToWait  阻塞超时时间，队列满时，任务处于阻塞态等待队列空间有效的最长等待时间
 *                       xTicksToWait = time / portTICK_RATE_MS
 * @return pdPass        超时前数据成功入队
 *         errQUEUE_FULL 队列已满                
 */
portBASE_TYPE xQueueSendToFront(xQueueHandle xQueue, const void * pvItemToQueue, portTickType xTicksToWait);
portBASE_TYPE xQueueSendToBack(xQueueHandle xQueue, const void * pvItemToQueue, portTickType xTicksToWait);

读出函数

/*
 * 出队
 * @return pdPASS         读取成功
 *         errQUEUE_EMPTY 队列已空，读取失败  
 */
portBASE_TYPE xQueueReceive(xQueueHandle xQueue,       // 被读队列的句柄
                            const void * pvBuffer,     // 接收缓存指针（指向的内存空间等于数据单元大小）
                            portTickType xTicksToWait  // 阻塞超时时间
                           );
// 与出队不同，不删除被接收的数据单元
BaseType_t xQueuePeek(xQueueHandle xQueue, const void * pvBuffer, portTickType xTicksToWait);

如果设定xTicksToWait=portMAX_DELAY，并且在文件FreeRTOSConfig.h中设定INCLUDE_vTaskSuspend=1，则阻塞等待无时间限制。

查询函数

/*
 * @param  xQueue 被查询队列的句柄
 * @return 返回队列中保存的数据单元的个数
 */
unsigned portBASE_TYPE uxQueueMessageWaiting(xQueueHandle xQueue);

taskYIELD();函数用于立刻进行任务切换，不必等到时间片耗尽。

例如，两个任务的优先级相同，一个任务调用了taskYIELD();函数，立刻由运行态进入就绪态，另一个任务进入运行态。

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P54~65

中断管理

二值信号量

rtos_intr_binary_semaphore

Using a binary semaphore to synchronize a task with an interrupt

创建二值信号量

/*
 * @param xSemaphore 创建的信号量，直接传入值，而不是传址
 */
void vSemaphoreCreateBinary(xSemaphoreHandle xSemaphore);

xSemaphoreTake函数

/*
 * @param  xSemaphore   获取的信号量
 * @param  xTicksToWait 阻塞超时时间（任务进入阻塞态等待信号量有效的最长时间）
 *                      = time / portTICK_RATE_MS
 * @return pdPASS       成功获得信号量
 *         pdFALSE      未获得信号量  
 */
portBASE_TYPE xSemaphoreTake(xSemaphoreHandle xSemaphore, portTickType xTickToWait);

xSemaphoreGiveFromISR函数

除了互斥信号量外，其它类型的信号量可通过调用xSemaphoreGiveFromISR给出

/*
 * @param xSemaphore                给出的信号量
 * @param pxHigherPriorityTaskWoken 调用本函数会使一个任务退出阻塞态，如果该任务优先级高于先前被中断的任务，pxHigherPriorityTaskWoken=pdTRUE，在中断退出前进行一次上下文切换
 * @return pdPASS 调用成功
 *         pdFALL 信号量已经有效，无法重复给出
 */
portBASE_TYPE xSemaphoreGiveFromISR(xSemaphoreHandle xSemaphore, portBASE_TYPE *pxHigherPriorityTaskWoken);

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P76~79.

计数信号量

一个二值信号量最多只可以锁存一个中断事件（0/1），在锁存的事件未被处理之前，如果还有中断发生，后续的中断事件将会丢失。采用计数的方式代替二值信号量，丢中断的情况可以避免。

rtos_intr_count_semaphore

Using a counting semaphore to 'count' events

事件计数：如图，每次事件发生时，中断服务例程都会Give一次信号量，计数值加1.延迟处理任务每处理一个任务都会Take一次信号量，计数值减1,。最终信号量的计数值等于已发生事件与已处理事件数目的差值。
资源管理：用信号量的计数值表示可用资源的数目，可以实现资源管理（详见下节）。

创建计数信号量

/*
 * @param uxMaxCount     最大计数值（信号量队列的深度）
 * @param uxInitialCount 初始计数值
 *                       - 事件计数：0  资源管理：uxMaxCount
 * @return NULL  堆空间不足，信号量分配内存失败
 *         !NULL 信号量创建成功，返回信号量句柄
 */
xSemaphoreHandle xSemaphoreCreateCounting(
    unsigned portBASE_TYPE uxMaxCount,
    unsigned portBASE_TYPE uxInitialCount
);

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P85~86

中断服务例程中使用队列

信号量用于事件通信，队列不仅可以事件通信，还可以传递数据。

xQueueSendToFrontFromISR, xQueueSendToBackFromISR, xQueueReceiveFromISR是中断安全版本，用于中断服务例程中，函数在ISR中被调用时，不会等待队列空间可用或处理队列满的情况，因此不需要指定阻塞超时时间xTicksToWait；相反，它会立即返回一个状态码，指示是否成功发送消息或是否需要进行上下文切换。

/*
 * @param xQueue        目标队列句柄，xQueueCreate函数的返回值
 * @param pvItemToQueue 发送数据的指针（按uxItemSize复制对应长度）
 * @param pxHigherPriorityTaskWoken 调用本函数会使一个任务退出阻塞态，如果该任务优先级高于先前被中断的任务，pxHigherPriorityTaskWoken=pdTRUE，在中断退出前进行一次上下文切换
 * @return pdPass        超时前数据成功入队
 *         errQUEUE_FULL 队列已满                
 */
portBASE_TYPE xQueueSendToFrontFromISR(xQueueHandle xQueue, void * pvItemToQueue, portBASE_TYPE *pxHigherPriorityTaskWoken);
portBASE_TYPE xQueueSendToBackFromISE(xQueueHandle xQueue, void * pvItemToQueue, portBASE_TYPE *pxHigherPriorityTaskWoken);

/*
 * @return pdPASS         读取成功
 *         errQUEUE_EMPTY 队列已空，读取失败  
 */
portBASE_TYPE xQueueReceiveFromISR(
    xQueueHandle xQueue,       // 被读队列的句柄
    const void * pvBuffer,     // 接收缓存指针（指向的内存空间等于数据单元大小）
    portTickType xTicksToWait  // 阻塞超时时间
);

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P89

资源管理

临界区与挂起

基本临界区

临界区会关掉中断（关掉优先级低于configMAX_INTERRUPT_PRIORITY的中断）在ENTER与EXIT之间执行时不会切换到其它任务

taskENTER_CRITICAL();
/* Critical Sections/Regions */

taskEXIT_CRITICAL();

挂起

如果一个临界区太长，不适合简单地关中断实现，可以考虑使用挂起调度器。

挂起可以停止上下文切换而不用关中断，如果某个中断在调度器挂起过程中要求上下文切换，则这个请求也会被挂起，直到调度器被重新唤醒。

void vTaskSuspendAll(void);  // 挂起调度器

/*
 * @return 如果一个挂起的上下文切换请求在xTaskResumeAll()返回前执行，返回pdTRUE，否则返回pdFALSE
 */
portBASE_TYPE xTaskResumeAll(void);

互斥量

感觉类似于多线程编程中的互斥锁

互斥量是一种特殊的二值信号量，单词MUTEX来源与"MUTual EXclusion"

用于互斥：用后必须归还；

用于同步：完成同步后丢弃；

rtos_mutex

Mutual exclusion implemented using a mutex

xSemaphoreCreateMutex函数

xSemaphoreHandle xSemaphoreCreateMutex(void); // 创建成功则返回互斥量的句柄，否则返回NULL

代码示例见FreeRTOS实时内核使用指南P108~111.

守护任务

优先级反转

低优先级任务拥有互斥量的时候，优先级会被临时提高，提高到和高优先级任务相同的优先级。如果另一个高优先级任务也想获取这个信号量，必须要等待互斥量被释放，否则高优先级任务将不能获取这个互斥量，并且那个拥有互斥量的低优先级任务也永远不会被剥夺。

为了避免优先级反转和死锁，规定守护任务是对某个资源具有唯一所有权的任务。

只有守护任务才可以直接访问其守护的资源，并且其它任务要访问时只能间接通过守护任务提供服务。

内存管理

标准的malloc()函数和free()函数可能会有以下问题：

在小型嵌入式系统中不可用；

具体实现较大，占用代码空间；

不具备线程安全特性；

每次调用的时间开销可能不同；

可能会产生内存碎片；

使链接器配置复杂；

当内核请求内存时，调用pvPortMalloc()函数而不是malloc()函数；当释放内存时，调用vPortFree()函数而不是直接调用free()函数。

代码详见FreeRTOS\Source\portable\MemMang\heap_1,2,3.c，FreeRTOS实时内核使用指南P123~126.

参考资料

FreeRTOS实时内核使用指南
Mastering the FreeRTOS™ Real Time Kernel
qq_61672347的博客—FreeRTOS
朱工的专栏—FreeRTOS高级篇