FreeRTOS通俗理解指南：基础概念 + 架构+ 内核组件+练手实验

RTOS 基础概念

想象一下，你是一个忙碌的厨师，在厨房里同时要完成煎牛排和煮意大利面两项任务。

1.传统单线程模式（没有RTOS）

如果你只能按顺序一项一项地做，就会是这样的过程：

• 先煎一会儿牛排
• 然后去看看意大利面煮得怎么样
• 再回来煎牛排

如果煎牛排的过程比较复杂，需要频繁翻面和控制火候，那么意大利面就可能会煮过头。反之，如果一直盯着意大利面，牛排就可能煎糊了。这种方式就类似于传统的单片机开发，没有使用操作系统，任务之间相互影响，效率较低。

用代码来表示就是：

2.使用 RTOS 的多任务模式

当引入 RTOS 后，就可以 “同时” 进行多项任务。你可以这样安排：

• 启动一个 “煎牛排任务”，让它自己在那里煎着
• 同时启动一个 “煮意大利面任务”，让它也自己煮着
• 你只需要在适当的时候去查看一下每个任务的进度，比如每隔一会儿去给牛排翻个面，或者看看意大利面有没有煮好

这样，牛排和意大利面都能在合适的时间完成，而且不会相互干扰。这就是 RTOS 的基本概念，它可以让单片机同时处理多个任务，提高系统的效率和实时性。

RTOS 的全称是 Real-time operating system，即实时操作系统。与我们日常使用的 Windows 等通用操作系统不同，RTOS 更注重实时性，能够确保任务在规定的时间内完成。例如，在一个工业控制系统中，如果某个传感器的数据采集任务不能及时完成，可能会导致整个系统的失控。

下面是一个简单的 RTOS 程序示例，用 C 语言编写：

在这个示例中，我们创建了两个任务：Task_FrySteak 和 Task_CookPasta。每个任务都有自己的独立运行逻辑，通过 vTaskDelay 函数来控制任务的执行时间间隔。xTaskCreate 函数用于创建任务，vTaskStartScheduler 函数用于启动任务调度器，开始调度各个任务的执行。

FreeRTOS 简介

为什么选择 FreeRTOS

在众多的 RTOS 中，FreeRTOS 是一个非常受欢迎的选择，它有以下几方面优点：

• 开源免费：FreeRTOS 是开源的，任何人都可以免费使用和修改，这对于降低开发成本非常有帮助。
• 轻量级：它的内核非常小巧，占用的资源很少，适合在资源有限的单片机上运行。
• 实时性好：FreeRTOS 提供了高效的任务调度算法，能够确保任务在规定的时间内完成，满足实时性要求。
• 易于使用：FreeRTOS 提供了丰富的 API 函数，易于学习和使用。同时，它还支持多种硬件平台，包括 ARM、RISC-V 等常见的架构。

FreeRTOS 的架构

FreeRTOS 的架构可以分为以下几个层次：

1.硬件抽象层（HAL）

这一层负责与硬件进行交互，包括处理器、内存、外设等。它提供了一些基本的函数，如中断处理、时钟管理等，使得 FreeRTOS 能够在不同的硬件平台上运行。

2.内核层

这是 FreeRTOS 的核心部分，包括任务调度器、内存管理、信号量、互斥量等组件。任务调度器负责决定哪个任务应该在当前时刻运行，内存管理组件负责分配和释放内存，信号量和互斥量用于任务之间的同步和通信。

3.应用层

这一层是用户编写的应用程序，包括各种任务和函数。用户可以根据自己的需求创建和管理任务，使用 FreeRTOS 提供的 API 函数来实现各种功能。

FreeRTOS 内核组件详解

1.堆内存管理

FreeRTOS 提供了多种堆内存管理方案，用户可以根据自己的需求选择合适的方案。常见的堆内存管理方案包括：

• 简单分配器：这种方案简单易用，但内存利用率较低，可能会产生内存碎片。
• 最佳适配分配器：这种方案能够更好地利用内存，减少内存碎片的产生，但实现相对复杂一些。

2.任务管理

任务是 FreeRTOS 中最基本的执行单元。FreeRTOS 支持多任务，每个任务都有自己的优先级和堆栈空间。任务可以处于以下几种状态之一：

• 运行态：当前正在执行的任务。
• 就绪态：任务已经准备好运行，但由于其他任务正在运行，暂时无法执行。
• 阻塞态：任务因为等待某个事件（如信号量、消息队列等）而暂停执行。
• 挂起态：任务被挂起，暂时不会被调度执行。

3.队列管理

队列是 FreeRTOS 中用于任务之间通信的重要机制。任务可以通过队列发送和接收数据，实现数据的共享和传递。队列具有以下特点：

• 先进先出（FIFO）：数据按照发送的顺序依次被接收。
• 支持中断安全：可以在中断服务程序中安全地使用队列。

4.软件定时器

软件定时器是 FreeRTOS 提供的一种定时机制，它可以在指定的时间间隔后触发一个回调函数。软件定时器可以用于实现一些周期性的任务，如数据采集、系统监控等。

5.中断管理

中断是单片机中非常重要的机制，它可以让 CPU 及时响应外部事件。FreeRTOS 提供了对中断的支持，用户可以在中断服务程序中调用 FreeRTOS 的 API 函数，实现任务的切换和通信。

6.临界区

临界区是指一段代码，在这段代码执行期间，不允许其他任务或中断打断。FreeRTOS 提供了进入和退出临界区的函数，用户可以在需要保护的代码段前后调用这些函数，确保代码的原子性。

7.互斥量

互斥量是一种用于保护共享资源的机制，它可以确保在同一时刻只有一个任务能够访问共享资源。FreeRTOS 提供了互斥量的实现，用户可以通过获取和释放互斥量来控制对共享资源的访问。

8.守门任务

守门任务是一种特殊的任务，它可以用于控制对某些资源的访问。只有当守门任务允许时，其他任务才能访问这些资源。

9.事件组

事件组是一种用于任务之间同步的机制，它可以让一个任务等待多个事件的发生。任务可以通过设置和清除事件组中的事件来通知其他任务。

10.任务通知

任务通知是一种轻量级的任务间通信机制，它可以让一个任务向另一个任务发送通知。任务通知可以用于实现一些简单的任务间同步和通信。

FreeRTOS 实验部分

为了帮助读者更好地理解和掌握 FreeRTOS 的使用方法，我们的课程提供了丰富的实验内容。实验部分采用了两种不同的开发板：华清远见STM32F103 和 STM32F407，并分别使用了 MDK-ARM 和 STM32CubeIDE 两种集成开发环境。

在实验中，我们将逐步引导初学者完成以下内容：

使用 STM32CubeMX 配置 FreeRTOS：通过图形化界面快速配置 FreeRTOS 的各项参数，生成初始化代码。

创建和管理任务：学习如何创建、启动、停止和删除任务，以及如何设置任务的优先级和堆栈大小。

使用队列和信号量进行任务间通信：了解如何通过队列和信号量实现任务之间的数据传递和同步。

使用软件定时器和中断：掌握软件定时器和中断的使用方法，实现周期性任务和外部事件的响应。

内存管理和性能优化：学习如何优化内存使用，提高系统的性能和稳定性。

通过这些实验，让初学者深入了解 FreeRTOS 的工作原理和使用方法，掌握如何在实际项目中应用 FreeRTOS 来开发高效、稳定的实时系统。

总之FreeRTOS 是一款功能强大、易于使用的实时操作系统，它为单片机开发提供了丰富的功能和高效的任务管理机制。通过学习 FreeRTOS，读者可以掌握实时系统的开发方法，提高自己的编程能力和解决实际问题的能力。

在我们的《嵌入式体系课：STM32全栈工程师实战课》里有专门的FreeRTOS课程（如下图红框），课程全面覆盖FreeRTOS基础与使用、任务创建方法、任务参数使用、任务的优先级、相对延时函数、队列、定时器等，通过理论讲解、案例分析和实验操作相结合的方式，帮助用户深入理解 FreeRTOS 的架构和应用。无论你是初学者还是有一定经验的开发者，都能从课程中获得有益的知识和技能，为自己的嵌入式学习奠定坚实的基础。

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