一.FreeRTOS介绍

1.什么是FreeRTOS？

free即免费，RTOS的全称是Real time operating system，即实时操作系统。

注意：RTOS不是指一个确定的系统，而是指一类的系统。比如：us/OS,FreeOS,RTX,RT-Thread等，这些都是RTOS类操作系统。

FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间 管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。

由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少 数实时操作系统能在小RAM单片机上运行。相对μC/OS-II、embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系 统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植 到各种单片机上运行，其最新版本为10.4.4版。 （以上来自百度百科）

2.为什么选择 FreeRTOS ?

FreeRTOS 是免费的；

很多半导体厂商产品的SDK（Software Development Kit）软件开发工具包，就使用FreeRTOS作为其 操作系统，尤其是WIFI、蓝牙这些带有协议栈的芯片或模块。

简单，因为FreeRTOS的文件数量很少。

二、FreeRTOS移植到STM32芯片上

使用Cubemx快速移植，

创建一个模板项目

打开mcu

选中芯片

选中system core

配置SYS

配置RCC

配置串口，用于打印调试

选中FreeRTOS系统

项目生成配置

选择generate code,生成代码

选择open project

在usart.c中加入

在main中测试是否打印到串口上

一些常见问题：

1.Timebase source为什么不能设置为systick?

裸机版的时钟默认是SysTick，但是开启FreeRTOS后，FreeRTOS会占用SysTick（用来生成1ms的定时用于任务调度），所以需要为其他总线提供另外的时钟源。

2.FreeRTOS版本问题

V2的内核版本更高，更能更多，多数情况下V1版本内核完全够用

3.FreeRTOS 各配置选项卡的解释

Events：事件相关的创建

Task and Queues： 任务与队列的创建

Timers and Semaphores： 定时器和信号量的创建

Mutexes： 互斥量的创建

FreeRTOS Heap Usage： 用于查看堆使用情况

config parameters： 内核参数设置，用户根据自己的实际应用来裁剪定制FreeRTOS 内核

Include parameters： FreeRTOS 部分函数的使能

User Constants： 相关宏的定义，可以自建一些常量在工程中使用

Advanced settings：高级设置

4. 内核配置、函数使能的一些翻译

三.任务的创建与删除

1.什么是任务？

任务可以理解为进程或者是一个任务，会在内存开辟一个空间用于执行任务。

比如，在电脑打开记事本，微信等都是一个任务。

任务通常含有一个while(1)死循环

2.任务创建与删除相关函数

动态创建与静态创建的区别：

动态创建任务的堆栈由系统分配，而静态创建任务的堆栈由用户自己传递。

大多数情况使用动态创建任务。

xTaskCreate()函数原型

pvTaskCode：指向任务函数的指针，任务必须实现为永不返回（即连续循环）；2. pcName：任务的名字，主要是用来调试，默认情况下最大长度是16；

pvParameters：指定的任务栈的大小；

uxPriority：任务优先级，数值越大，优先级越大；

pxCreatedTask：用于返回已创建任务的句柄可以被引用。

官方案例：

vTaskDelete函数原型：

只需将待删除的任务句柄传入该函数，即可将该任务删除。

当传入的参数为NULL，则代表删除任务自身（当前正在运行的任务）。

3.实现

四、任务调度

什么是任务调度器？

调度器就是使用相关的调度算法来决定当前执行到哪个任务了

FreeRTOS中任务调度器的函数是vTaskStartScheduler()，在FreeRTOS被封装为osKernelStart()

调度器规则：

FreeRTOS是一个实时操作系统，需要遵循一些调度规则：

抢占式调度：高优先级的抢占低优先级的，永远都是高优先级的优先执行

时间片调度：同等优先级的，谁先抢占到CPU资源，谁先执行。

抢占式调度运行过程：

时间片调度运行过程：

任务的状态

FreeRTOS中有4种状态：

Running运行态：当前任务正在使用CPU的资源，任务正在执行。

Ready就绪态：当前任务等待CPU的调度，任务等待运行。

Blocked阻塞态：当前任务因为一些延时、或等待信号量、消息队列、事件标记组而处于一个阻塞的状态。

Suspended挂起态：类似暂停，通过调用vTaskSuspend()对指定的任务进行挂起。需用通过调用vTaskResume()才能恢复。

总结：

只有就绪态才能变为运行态

其他状态只有调用指定的函数，先成功就绪态才能变为运行态。

任务小实验：

需求：

建 4 个任务：taskLED1，taskLED2，taskKEY1，taskKEY2，任务要求如下：

taskLED1：间隔 500ms 闪烁 LED1；

taskLED2：间隔 1000ms 闪烁 LED2；

taskKEY1：如果 taskLED1 存在，则按下 KEY1 后删除 taskLED1 ，否则创建 taskLED1 ；

taskKEY2：如果 taskLED2 正常运行，则按下 KEY2 后挂起 taskLED2 ，否则恢复 taskLED2

cubeMX配置：

代码实现：

五、队列

什么队列？

队列又称消息队列，是任务通信的一种数据结构，队列可以在任务与任务之间中断和任务间的传递消息。

为啥不能使用全局变量呢？

全局的变量，在多任务修改的情况下，获取的不是最新的值，容易导致数据的错读。

队列的特点

1.入队出队方式

通常先进先出（FIFO），数据先进去的先被读取。

还有一种后进先出（LIFO），比较少用，一般有于栈。

2.数据传递方式

采用实际值传递，则将数据拷贝到队列进行传递，也可以使用指针，在数据比较大的时候通常采用指针传递。

3、多任务访问

队列不属于某个任务，任何任务都可以使用队列发送跟接收数据。

4、出队、入队阻塞

当向一个队列发送消息是，可以指定一个阻塞时间，假设次数当队列已满无法入队时，可以设置一个阻塞时间：

0：直接返回，不阻塞。

0-portMAX_DELAY：设置指定的时间，超过该时间还没进入队列直接返回。

portMAX_DELAY：死等，等到队列有空闲位置为止。

队列相关API

1.创建队列

参数：

uxQueueLength：队列的可容纳的长度

uxItemSize：一个队列容纳的大小

返回值：

如何一个队列创建成功，会分配到内存，反之失败则为NULL

2.写队列API

参数：

xQueue：队列的句柄，数据项将发送到此队列。

pvItemToQueue：待写入数据

xTicksToWait：阻塞超时时间

返回值：

如果成功写入数据，返回 pdTRUE，否则返回 errQUEUE_FULL。

3、读队列API

BaseType_t xQueueReceive( QueueHandle_t xQueue, void *pvBuffer, TickType_t xTicksToWait );

参数：

xQueue：待读取的队列

pvItemToQueue：数据读取缓冲区

xTicksToWait：阻塞超时时间

返回值：

成功返回 pdTRUE，否则返回 pdFALSE。

实验：

创建一个队列，按下 KEY1 向队列发送数据，按下 KEY2 向队列读取数据。

cubeMX配置

代码实现

六、二值信号量

什么是信号量？

信号量（semaphore）实在多任务环境下使用的一种机制，是可以用来保证两个或者多个关键代码段不被并发调用。

信号量可以拆分为信号和量，信号起到了通知的作用，而量表示资源的数量，当我们的量只有0和1的时候，我们称为二值信号量，只有两种状态，当我们那个量没有限制时，称为计数型信号量。

什么是二值信号量？

二值信号量其实是一个长度为1，大小为1的队列，只有0和1两种状态，通常用它进行互斥访问或任务同步。

二值信号量API

创建二值信号量

参数：

无

返回值：

成功，返回对应二值信号量的句柄；

失败，返回 NULL 。

释放二值信号量

参数：

xSemaphore：要释放的信号量句柄

返回值：

成功，返回 pdPASS ；

失败，返回 errQUEUE_FULL 。

获取二值信号量

BaseType_t xSemaphoreTake( SemaphoreHandle_t xSemaphore,

TickType_t xTicksToWait );

参数：

xSemaphore：要获取的信号量句柄

xTicksToWait：超时时间，0 表示不超时，portMAX_DELAY表示卡死等待；

返回值：

成功，返回 pdPASS ；

失败，返回 errQUEUE_FULL 。

实现：

创建一个二值信号量，按下 KEY1 则释放信号量，按下 KEY2 获取信号量。

cubeMX配置

代码实现

七、计数型信号量

计量型信号量相当于长度大于1的队列，能容纳更多资源，在创建时确定了长度大小。

应用场景：

一个停车场有固定的停车位，当一辆车开进来时，车位减一，一辆车开走时，车位加一，当车位满了，表示队列装满了，此时再进来只能等待或者是开走。

计数型相关API函数

计数型信号量的释放和获取与二值信号量完全相同 ！

参数：

uxMaxCount：可以达到的最大计数值

uxInitialCount：创建信号量时分配给信号量的计数值

返回值：

成功，返回对应计数型信号量的句柄；

失败，返回 NULL 。

实现案例：

创建一个计数型信号量，按下 KEY1 则释放信号量，按下 KEY2 获取信号量。

cubeMX配置

将USE_COUNTING_SEMAPHORES的值从Disabled改成Enabled

代码实现

八、互斥量

什么是互斥量？

在多数情况下，互斥型信号量与二值型信号量非常相似，但功能上，二值型信号量用于同步，而互斥型信号量用于资源保护。

互斥型信号量和二值型信号量还有一个最大的区别，互斥型信号量可以有效解决优先级反转现象。

什么是优先级翻转？

如图上所示，当低优先级获得CPU资源时，还没执行完就会被高优先级的任务打断，如果执行重要的东西时，容易发送错误，所以互斥型信号量就起到作用了，低优先级 在获取到CPU资源时，不会被其他高优先级的任务打断，直到释放信号。

互斥量相关API

互斥信号量不能用于中断服务函数中！

SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateMutex( void )

参数：

无

返回值：

成功，返回对应互斥量的句柄；

失败，返回 NULL 。

实现

演示优先级翻转

使用互斥量优化优先级翻转问题

cubeMX配置

代码实现

创建了三个任务StartTaskH、StartTaskM、StartTaskL

九、事件标志组

什么是事件标志组？

事件标志位：表示某件事是否发生，联想：全局变量flag，通常每个位表示一个事件（高8位不算）

事件标志组：是一组事件标志位的集合，也就是一个整数

事件标志组本质是一个 16 位或 32 位无符号的数据类型 EventBits_t ，由 configUSE_16_BIT_TICKS 决定。

虽然使用了 32 位无符号的数据类型变量来存储事件标志， 但其中的高8位用作存储事件标志组的控制信息，

低 24 位用作存储事件标志 ，所以说一个事件组最多可以存储 24 个事件标志！

事件标志组API

1.创建事件标志组

参数：

无

返回值：

成功，返回对应事件标志组的handle；

失败，返回 NULL 。

2.设置事件标志位

参数：

xEventGroup：对应事件组句柄。

uxBitsToSet：指定要在事件组中设置的一个或多个位的按位值。

返回值：

设置之后事件组中的事件标志位值。

3.清除事件标志位

参数：

xEventGroup：对应事件组句柄。

uxBitsToClear：指定要在事件组中清除的一个或多个位的按位值。

返回值：

清零之前事件组中事件标志位的值。

4.等待事件标志位

参数：

xEventGroup：对应的事件标志组handle

uxBitsToWaitFor：指定事件组中要等待的一个或多个事件位的按位值

xClearOnExit：pdTRUE——清除对应事件位，pdFALSE——不清除

xWaitForAllBits：pdTRUE——所有等待事件位全为1（逻辑与），pdFALSE——等待的事件位有一个为1

（逻辑或）

xTicksToWait：超时

返回值：

等待的事件标志位值：等待事件标志位成功，返回等待到的事件标志位

其他值：等待事件标志位失败，返回事件组中的事件标志位

实现：

创建一个事件标志组和两个任务（ task1 和 task2），task1 检测按键，如果检测到 KEY1 和 KEY2 都按过，

则执行 task2 。

十、任务通知

什么是任务通知？

FreeRTOS 从版本 V8.2.0 开始提供任务通知这个功能，每个任务都有一个 32 位的通知值。按照 FreeRTOS 官方的说法，使用消息通知比通过二进制信号量方式解除阻塞任务快 45%， 并且更加省内存（无需创建队 列）。

在大多数情况下，任务通知可以替代二值信号量、计数信号量、事件标志组，可以替代长度为 1 的队列（可 以保存一个 32 位整数或指针值），并且任务通知速度更快、使用的RAM更少！

任务通知值的更新方式

FreeRTOS 提供以下几种方式发送通知给任务 ：

发送消息给任务，如果有通知未读， 不覆盖通知值

发送消息给任务，直接覆盖通知值

发送消息给任务，设置通知值的一个或者多个位

发送消息给任务，递增通知值

通过对以上方式的合理使用，可以在一定场合下替代原本的队列、信号量、事件标志组等。

任务通知的优势和劣势

任务通知的优势

使用任务通知向任务发送事件或数据，比使用队列、事件标志组或信号量快得多。

使用其他方法时都要先创建对应的结构体，使用任务通知时无需额外创建结构体。

任务通知的劣势

只有任务可以等待通知，中断服务函数中不可以，因为中断没有 TCB 。

通知只能一对一，因为通知必须指定任务。

等待通知的任务可以被阻塞， 但是发送消息的任务，任何情况下都不会被阻塞等待。

任务通知是通过更新任务通知值来发送数据的，任务结构体中只有一个任务通知值，只能保持一个数 据。

任务通知相关API函数

1.发送通知

参数：

xTaskToNotify：需要接收通知的任务handle；

ulValue：用于更新接收任务通知值， 具体如何更新由形参 eAction 决定；

eAction：一个枚举，代表如何使用任务通知的值；

返回值：

如果被通知任务还没取走上一个通知，又接收了一个通知，则这次通知值未能更新并返回 pdFALSE， 而其他

情况均返回pdPASS。

参数：

xTaskToNotify：需要接收通知的任务handle；

ulValue：用于更新接收任务通知值， 具体如何更新由形参 eAction 决定；

eAction：一个枚举，代表如何使用任务通知的值；

pulPreviousNotifyValue：对象任务的上一个任务通知值，如果为 NULL， 则不需要回传， 这个时候就等价 于函数 xTaskNotify()。

返回值：

如果被通知任务还没取走上一个通知，又接收了一个通知，则这次通知值未能更新并返回 pdFALSE， 而其他 情况均返回pdPASS。

参数：

xTaskToNotify：接收通知的任务句柄， 并让其自身的任务通知值加 1。

返回值：

总是返回 pdPASS。

2.等待通知

等待通知API函数只能用在任务，不可应用于中断中！

参数：

xClearCountOnExit：指定在成功接收通知后，将通知值清零或减 1，pdTRUE：把通知值清零（二值信号 量）；pdFALSE：把通知值减一（计数型信号量）；

xTicksToWait：阻塞等待任务通知值的最大时间；

返回值：

0：接收失败

非0：接收成功，返回任务通知的通知值

ulBitsToClearOnEntry：函数执行前清零任务通知值那些位 。

ulBitsToClearOnExit：表示在函数退出前，清零任务通知值那些位，在清 0 前，接收到的任务通知值会先被 保存到形参*pulNotificationValue 中。

pulNotificationValue：用于保存接收到的任务通知值。 如果 不需要使用，则设置为 NULL 即可 。

xTicksToWait：等待消息通知的最大等待时间。

实现：

模拟二值信号量

模拟计数型信号量 

模拟事件标志组

模拟邮箱 

十一、延时函数

什么是延时函数？

延时函数是延迟执行

延时函数分类

相对延时：vtaskDelay

不能在延迟时间中发生中断

绝对延时：vTaskDelayUntil

延时时间能在中断中，直到延时结束

vtaskDelay与HAL_DELAY区别

vTaskDelay 作用是让任务阻塞，任务阻塞后，RTOS系统调用其它处于就绪状态的优先级最高的任务来执 行。

HAL_Delay 一直不停的调用获取系统时间的函数，直到指定的时间流逝然后退出，故其占用了全部CPU时 间。

十二、软件定时器

什么是定时器？

简单可以理解为闹钟，到达指定一段时间后，就会响铃。

STM32 芯片自带硬件定时器，精度较高，达到定时时间后会触发中断，也可以生成 PWM 、输入捕获、输出 比较，等等，功能强大，但是由于硬件的限制，个数有限。

软件定时器也可以实现定时功能，达到定时时间后可调用回调函数，可以在回调函数里处理信息。

软件定时器优缺点

优点：

简单、成本低；

只要内存足够，可创建多个；

缺点：

精度较低，容易受中断影响。在大多数情况下够用，但对于精度要求比较高的场合不建议使用。

软件定时器原理

定时器是一个可选的、不属于 FreeRTOS 内核的功能，它是由定时器服务任务来提供的。

在调用函数 vTaskStartScheduler() 开启任务调度器的时候，会创建一个用于管理软件定时器的任务，这个 任务就叫做软件定时器服务任务。

负责软件定时器超时的逻辑判断

调用超时软件定时器的超时回调函数

处理软件定时器命令队列

FreeRTOS提供了很多定时器有关的API函数，这些API函数大多都使用FreeRTOS的队列发送命令给定时器服 务任务。这个队列叫做定时器命令队列。定时器命令队列是提供给FreeRTOS的软件定时器使用的，用户不能直接访问！

软件定时器相关配置

软件定时器有一个定时器服务任务和定时器命令队列，这两个东西肯定是要配置的，相关的配置也是放到文 件FreeRTOSConfig.h中的，涉及到的配置如下：

1、configUSE_TIMERS

如果要使用软件定时器的话宏configUSE_TIMERS一定要设置为1，当设置为1的话定时器服务任务就会在启 动FreeRTOS调度器的时候自动创建。

2、configTIMER_TASK_PRIORITY

设置软件定时器服务任务的任务优先级，可以为0~(configMAX_PRIORITIES-1)。优先级一定要根据实际的应 用要求来设置。如果定时器服务任务的优先级设置的高的话，定时器命令队列中的命令和定时器回调函数就 会及时的得到处理。

3、configTIMER_QUEUE_LENGTH

此宏用来设置定时器命令队列的队列长度。

4、configTIMER_TASK_STACK_DEPTH

此宏用来设置定时器服务任务的任务堆栈大小。

单次定时器和周期定时器

单次定时器： 只超时一次，调用一次回调函数。可手动再开启定时器；

周期定时器： 多次超时，多次调用回调函数。

软件定时器相关API函数

1. 创建软件定时器

参数：

pcTimerName：软件定时器名称

xTimerPeriodInTicks：定时超时时间，单位：系统时钟节拍。宏 pdMS_TO_TICKS() 可用于将以毫秒为单位 指定的时间转换为以 tick 为单位指定的时间。

uxAutoReload：定时器模式， pdTRUE：周期定时器， pdFALSE：单次定时器 pvTimerID：软件定时器 ID，用于多个软件定时器公用一个超时回调函数 返回值：

成功：定时器handle

失败：NULL

2. 开启软件定时器

参数：

xTimer：待开启的软件定时器的句柄

xTickToWait：发送命令到软件定时器命令队列的最大等待时间

返回值：

pdPASS：开启成功

pdFAIL：开启失败

3. 停止软件定时器

参数与返回值同上。

4. 复位软件定时器

参数与返回值同上。

该功能将使软件定时器的重新开启定时，复位后的软件定时器以复位时的时刻作为开启时刻重新定时。

5. 更改软件定时器定时时间

xNewPeriod：新的定时超时时间，单位：系统时钟节拍。

其余参数与返回值同上。

实现：

创建两个定时器：

定时器1，周期定时器，每1秒打印一次 liangxu shuai

定时器2，单次定时器，启动后 2 秒打印一次 laochen shuai

cubeMX配置

software timer ope修改USE_TIMERS的值为Enable

代码实现：

十三、中断管理

中断定义

中断（Interrupt）是一种由硬件或软件触发的信号，用于通知处理器需要立即处理某个事件。中断机制允许处理器暂停当前任务，转而去执行高优先级的任务（中断服务程序，ISR），处理完成后恢复原任务。

中断优先级

任何中断的优先级都大于任务！

在我们的操作系统，中断同样是具有优先级的，并且我们也可以设置它的优先级，但是他的优先级并不是从 0~15 ，默认情况下它是从 5~15 ，0~4 这 5 个中断优先级不是 FreeRTOS 控制的（5是取决于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）。

相关注意

在中断中必需使用中断相关的函数；

中断服务函数运行时间越短越好。

实现

创建一个队列及一个任务，按下按键 KEY1 触发中断，在中断服务函数里向队列里发送数据，任务则阻塞接

收队列数据。

cubeMX配置

代码实现

freetos.c