掌握 FreeRTOS：打造高效嵌入式系统的第一步

实例对比说明：

• 手机: 点击相机 -> 操作系统 -> 打开摄像头

• 无操作系统: 相机 -> 打开摄像头也能实现，但方式死板、不支持第三方应用

MCU 对比说明：

• 裸机开发: MCU -> 直接控制硬件

• 使用操作系统: MCU -> 操作系统 -> 硬件

定义：操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的程序，是运行在裸机上的最基本系统软件，其功能是为应用程序提供运行平台。

为什么使用操作系统？

1. 提高 CPU 利用效率

2. 用更少代码实现更复杂功能

3. 屏蔽硬件差异，提高上层软件移植性

1.1.2 常见操作系统分类

1. 实时操作系统（RTOS）

   • 注重实时性，体积小，适用于嵌入式系统

   • 依赖任务优先级进行调度

   • 示例：UCOSII/III、FreeRTOS、RT-Thread 等

1. 分时操作系统

   • 任务调度依据时间片轮转

   • 示例：Windows 95、Linux 2.6 前版本

1. 半实时半分时操作系统

   • 大型系统的常见选择

   • 示例：Windows、HarmonyOS、Linux 2.6+等

操作系统选择依据平台而定：

• 嵌入式领域：RTOS

• 高性能芯片平台：大型操作系统

1.2 FreeRTOS 操作系统概述

1.2.1 FreeRTOS 的调度原则

• RTOS：基于优先级

• 分时系统：基于时间片

1.2.2 FreeRTOS 的程序结构

• FreeRTOS 中优先级数字越大，优先级越高（与 UCOS 相反）

• 最小/最大优先级保留给空闲/紧急任务

1.2.3 FreeRTOS 的任务结构

• 任务控制块（TCB）：系统分配内存记录任务信息

• 任务函数：普通函数，执行任务内容

• 任务优先级：用于调度

• 任务栈：保存任务上下文（寄存器、变量等）

• 任务状态：停止、等待、就绪、运行、中断

1.2.4 系统调度与任务切换

• 任务调度：选择下一个任务（A->B 或 B->B）

• 任务切换：当前任务被切换为其他任务

1.2.5 任务状态说明

• 五种状态：停止、等待、就绪、运行、中断

• 任务切换逻辑：

  • 延时 (vTaskDelay) 和挂起函数使任务进入挂起态

  • 时间到或调用唤醒函数使任务回到就绪态

  • 仅就绪态任务可进入运行态

1.3 实时操作系统 FreeRTOS

1.3.1 FreeRTOS 概念

• 免费开源轻量级 RTOS

• 支持任务管理、时间管理、信号量、消息队列、定时器等功能

• 优点：源码公开、可移植、可裁剪

1.3.2 实时操作系统要求

• 支持优先级调度和时间片轮转

• 可配置为可剥夺/不可剥夺型内核

• 实现多任务调度、资源管理、任务通信

1.3.3 功能概述

• 任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、定时器、协程等

• 可用于资源受限的 MCU

1.3.4 获取与版本信息

• 官网下载：https://www.freertos.org/a00104.html

• 当前版本：V202112.00

1.3.5 FreeRTOS 移植

• 问题处理：

  • xTaskGetCurrentTaskHandle：配置宏 INCLUDE_xTaskGetCurrentTaskHandle = 1

  • vApplicationStackOverflowHook：需手动添加钩子函数

void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName) {while(1) {}
}

• 配置参数说明（FreeRTOSConfig.h）

#define configCPU_CLOCK_HZ          ((unsigned long) 72000000)
#define configTICK_RATE_HZ          ((TickType_t) 1000)
#define configMAX_PRIORITIES        (5)
#define configMINIMAL_STACK_SIZE    ((unsigned short) 128)

1.4 FreeRTOS 下的任务管理与通信

1.4.1 任务创建与管理

任务创建函数原型：

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,const char * const pcName,configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,void * const pvParameters,UBaseType_t uxPriority,TaskHandle_t * const pxCreatedTask
);

删除任务：

vTaskDelete(TaskHandle_t xTaskToDelete);

挂起与唤醒：

vTaskSuspend(TaskHandle_t xTaskToSuspend);
vTaskResume(TaskHandle_t xTaskToResume);

1.4.2 队列

• 先进先出（FIFO）

• 创建队列：

QueueHandle_t xQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize);

• 发送信息：

xQueueSend(QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait);

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后续内容包括信号量、互斥量、定时器、事件组与任务通知等通信机制，可继续扩展完善。