FreeRTOS操作系统中文入门手册

2020-10-11 09:32:26 类别：FreeRTOS

更新：2020-10-11 09:32:26
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审核：韶锦欣
类别：技术文章
格式：PDF

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资源介绍

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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10.3.1版。

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。

任务调度机制是嵌入式实时操作系统的一个重要概念，也是其核心技术。对于可剥夺型内核，优先级高的任务一旦就绪就能剥夺优先级较低任务的CPU使用权，提高了系统的实时响应能力。不同于μC/OS-II，FreeRTOS对系统任务的数量没有限制，既支持优先级调度算法也支持轮换调度算法，因此FreeRTOS采用双向链表而不是采用查任务就绪表的方法来进行任务调度。

系统定义的链表和链表节点数据结构如下所示：

//定义链表结构
typedef struct xLIST{
    unsigned portSHORPT usNumberOfItems;    //usNumberOfItems为链表的长度，为0表示链表为空
    volatile xListItem *pxHead;    //pxHead为链表的头指针
    volatile xListItem *pxIndex;    //pxIndex指向链表当前结点的指针
    volatile xListItem xListEnd;    //xListEnd为链表尾结点
}xList;
 
//定义链表结点的结构
struct xLIST_ITEM{
    port Tick type;    //port Type为时针节拍数据类型
    xItem Value;    //xItem Value的值用于实现时间管理，可根据需要选择为16位或32位
    volatile struct xLIST_ITEM *pxNext;    //指向链表的前一个结点
    void *pvOwner;    //指向此链表结点所在的任务控制块
    void *pvContainer;    //指向此链表结点所在的链表
}；

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学习心得

freertos手册 2020-10-11

什么情况下可以用 FreeRTOS ?

单片机也要用操作系统？如果以日常用的Windows, Linux, BSD这些，甚至是DOS，来代表操作系统的话，在单片机上运行操作系统时候个很荒诞的想法——因为对大多数单片机，RAM实在太少了。而 FreeRTOS 并不是要提供一个在单片机上运行软件的平台，把软件一个个安装到它上面，供用户选择运行什么，它没有用户界面；它不是一个管家，也不带任何硬件驱动程序，也没有文件系统服务提供。FreeRTOS只是一个操作系统内核，它首先提供了操作系统最重要的特性：任务调度。

也就是说，有了FreeRTOS，在单片机上实现多任务会容易一些。这里至少有两层含义，一是多任务是否一定要用RTOS才可以实现? 当然不是。对于单片机开发来讲，所有系统资源都是你的，在不同中断服务里面处理不同的任务并不是很困难的事情。第二，是否没有多任务就完全用不着RTOS? 这也得看具体情况，如何界定“任务”的概念了，一件复杂的事情在程序中也有可能划分为几个任务来处理。

开源的免费的小型实时内核，支持的处理器内核：ARM7，ARM9，CortexM3，ATMEL AVR32，AVR，MSP430等

功能介绍：

FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。

FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。

任务可以选择是否共享堆栈，并且任务没有数量限制。

消息队列，二值信号量，计数信号量。

时间管理

内存管理

FreeRTOS的内核可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。当FreeRTOS被设置为可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的CPU使用权，这样可保证系统满足实时性的要求；当FreeRTOS被设置为不可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放CPU的使用权后才能获得运行，这样可提高CPU的运行效率。

嵌入式系统基本概念：多任务，调度，上下文切换，实时应用和调度。

FreeRTOS与UCOS比较：

1：与ucosii不同，它是free的，ucosii不是free的，虽然它的代码是公开的。

2：它支持同优先级任务时间片调度，轮换调度算法，UCOS不允许任务使用相同优先级。

3：任务数目FREERTOS没有限制，UCOS有限制，一般64个。

4：freertos既可以配置为可抢占内核也可以配置为不可抢占内核。 UCOS是可抢占。

5：内核ROM和耗费RAM都比uCOS 小，特别是RAM。这在单片机里面是稀缺资源，uCOS至少要5K以上，而freeOS用2~3K也可以跑的很好。

6：freeRTOS 可以用协程（Co-routine），减少RAM消耗（共用STACK）。uCOS只能用任务（TASK，每个任务有一个独立的STACK）。
7：比uSOS简单，任务间通讯freeRTOS只支持Queque， Semaphores， Mutex。 uCOS除这些外，还支持Flag, MailBox.
8：uCOS可靠性更高，而且耐优化，freeRTOS 在我设置成中等优化的时候，就会出问题。

9：freertos的任务挂起与ucosii也不大一样。它把所有挂起的任务加到xSuspendedTaskList中，而且一旦调用vTaskSuspend()函数挂起一个任务，该任务就将从所有它原先连入的链表中删除（包括就绪表，延时表和它等待的事件链表），也就是说，和 ucosii不同，一旦一个任务被挂起，它将取消先前它的延时和对事件的等待。ucosii中是不同的，在ucosii里面一个任务被挂起仅仅是把任务的状态或上一个OS_STAT_SUSPEND并从就绪表中删除,如果先前这个任务正在等待某事件，则并不取消等待。