FreeRTOS
一、简介 、特点
FreeRTOS （Free 免费的 Real Time Operate System 实时操作系统）。文件数量比UCOS少（4-9K字节）。特点：可裁剪（通过配置文件里的宏定义），任务数量、优先级不限，支持低功耗的Tickless模式，堆栈溢出检测。
二、源码获取 （官网： www.freertos.org）
1、提取文件
2、实现串口收发（printf重定向，调试）和系统嘀嗒定时器（涉及RTOS的系统时钟）如果实现了timer2定时器先注释，笔者发现两个都初始化后任务创建不成功（timer2定时器中断优先级比较高的原因，调低就可以了）。
systic.c文件里初始化完后要实现中断服务函数，实现delay_us(u32 us) 和 delay_xms(u32 ms) 延时函数，初始化和中断这里跟我们平时写的有差异，只因他是专门服务于FreeRTOS，文件放到博客园下了。
FreeRTOS 心跳由滴答定时器产生，根据 FreeRTOS 的系统时钟节拍设置好滴答定时器的周期，这样就会周期触发滴答定时器中断了。在滴答定时器中断服务函数中调用FreeRTOS 的 API 函数 xPortSysTickHandler()。
如上1、2做完，工程添加完毕后编译：除图二错误可能还有中断函数重复定义等，因为RTOS里又定义了一次，把stm32f10x_it.c里的注释掉。
三、配置FreeRTOSConfig.h
实际使用中通过该文件完成裁剪和配置：INCLUDE 开头的宏表示使能或不使用对应的API函数。如图所示（部分）：具体文件已保存到博客园文件下了，F1和F4均通用。
四、任务基础 （创建、删除、挂起、恢复）
1、简介：任何一个时间点只能有一个任务运行，由调度器决定，其职责是保证任务执行时的上下文环境 （寄存器值、堆栈内容等）和任务上一次退出时相同。为此，任务必须有其堆栈（保存上下文环境）。
2、特性：无限制、支持抢占、优先级，任务都有堆栈导致RAM增大，使用抢占须考虑重入问题。
3、状态：运行态、就绪态、阻塞态、挂起态。（由图可知，挂起态任务恢复后不是直接进到运行态，而是进到就绪态，阻塞态同理）
4、优先级：每个任务都能分配0~(configMAX_PRIORITIES-1)的优先级，共32级，0-31，数值越低优先级越低（与单片机中断优先级和UCOS相反），空闲任务优先级最低，为0。同一个优先级时通过时间片轮转调度器获取运行时间。
5、任务创建： xTaskCreate() 动态创建：任务所需RAM从RTOS堆中分配，需提供heap_4.c内存管理文件，宏 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION 须为 1； xTaskCreateStatic() ；静态创建：RAM需用户提供。
创建的任务是就绪态，若没有比它高优先级的任务运行则立即进入运行态。不管调度器是否启用。
int main(void)
TaskHandle_t StartTask_Handler; //任务句柄 ----堆栈大小，优先级等也可以使用宏定义 ，如果没有其它API使用任务句柄也可以为NULL。任务创建定义在主函数最后面，则main.c不需要while(1)。
BaseType_t xTaskCreate( (TaskFunction_t )pxTaskCode, //任务函数 （动态创建） （实际参数如：stat_task）
(const char * )const pcName, //任务名字，一般用于追踪和调试，长度不超过configMAX_TASK_NAME_LEN （如:"stat_task"）
(const uint16_t) usStackDepth, //堆栈大小，申请的实际字节为传入数据的4倍。空闲任务堆栈大小为：configMINIMAL_STACK_SIZE (如：128)
(void *) const pvParameters, //传递给任务函数的参数 （如：NULL）
(UBaseType_t) uxPriority, //任务优先级， 0~ configMAX_PRIORITIES-1 值越大优先级越高 (如：3)
(TaskHandle_t *) const pxCreatedTask ) // 成功返回句柄， 其实就是任务堆栈，堆栈就是保存任务句柄，其它API操作这个任务就是使用任务句柄 (如：&StartTask_Handler)
pdPASS ：创建成功返回 errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY： 创建失败，堆内存不足（太大空间不够，太小任务创建失败）
如下，图一先创建开始任务，再用开始任务去创建任务函数，图二直接创建任务函数，不要开始任务，实现效果一致，但更简洁：
很多实际运用中就像图二这种创建几个任务函数，实现多任务就够了，什么队列信号量都不用，自写一个 send data() 函数集中处理数据
TaskHandle_t xTaskCreateStatic( TaskFunction_t pxTaskCode, //任务函数 （静态创建）
const char * const pcName, //任务名字
const uint32_t ulStackDepth, //任务堆栈大小，静态创建由用户给，一般是个数组，传入的参数就是数组大小
void * const pvParameters, //传递给任务函数的参数
UBaseType_t uxPriority, //任务优先级， 0~ configMAX_PRIORITIES-1
StackType_t * const puxStackBuffer, //任务堆栈，一般为数组，数组类型: StackType_t
StaticTask_t * const pxTaskBuffer ) //任务控制块
NULL:创建失败，puxStackBuffer 或 pxTaskBuffer 为 NULL时 其它值：任务创建成功，返回任务句柄
xTaskCreateRestricted() ：此函数创建的任务会受到MPU的保护，要求MCU有MPU（内存保护单元），其它功能和 xTaskCreate() 一致。
6、任务删除：删除后不会进入运行态，也不能再使用任务句柄，动态创建的任务删除后空间被释放，但如果任务中调用 pvPortMalloc()分配的则删除任务后调用vPortFree()释放，否则内存泄漏。
vTaskDelete( TaskHandle_t xTaskToDelete ) 参数：要删除的任务句柄
7、任务挂起和恢复
（1）、挂起：void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend) 参数：要挂起的任务句柄 参数为NULL表示挂起任务自己。特性：恢复后任务中变量保存的值不变。
（2）、恢复：void vTaskResume( TaskHandle_t xTaskToResume) 参数：要恢复的任务句柄
（3）、恢复（中断版本）：BaseType_t xTaskResumeFromISR( TaskHandle_t xTaskToResume) 用于在中断服务函数中恢复一个任务。
返回值pdTRUE:优先级 >= 正在运行的任务，退出中断函数后必须进行一次上下文切换。pdFALSE:优先级 < 正在运行的任务，退出中断函数后不用进行上下文切换。
五、任务查询、统计相关API（调试用）
1、void vTaskList( char * pcWriteBuffer) 创建一个表格列出所有任务信息（任务名称，优先级，历史最低堆栈大小），参数：pcWriteBuffer ：保存任务状态信息表的存储区，要大，可动态申请。
IDLE:空闲任务 Tmr:定时器任务
六、内核控制函数（这些函数本质上是一个宏）
七、临界段代码保护
1、简介：指必须完整运行，不能被打断的代码段，如有的外设初始化需要严格的时序，如模拟IIC等，进入临界段代码时需要关中断，当处理完临界段代码后再开中断。FreeRTOS 系统本身就有很多的临界段代码， 这些代码都加了临界段代码保护。
2、任务级临界段使用方法：
void taskcritical_test(void){ //任务级临界段代码保护使用方法
while(1) {
taskENTER_CRITICAL(); (1) //进入临界区
total_num+=0.01f; //中间的是临界区代码，一定要精简，因为进入临界区会关闭中断，这样会导致优先级低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断
printf("total_num 的值为: %.4f\r\n",total_num); //得不到及时响应（如：两个定时器中断，一个定时器优先级高于宏，高于宏的可以正常运行，低于宏的不能运行，退出时才可以运行）。
taskEXIT_CRITICAL(); (2) //退出临界区
vTaskDelay(1000);
}
}
3、中断级临界段使用方法：
void TIM3_IRQHandler(void) {
if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)==SET) { //溢出中断
status_value=taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR(); (1) //进入临界区
total_num+=1;
printf("float_num 的值为: %d\r\n",total_num);
taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(status_value); (2) //退出临界区
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清除中断标志位
｝
(1)、设置定时器 3 的抢占优先级为 4，高于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY， 因此在调用函数 portDISABLE_INTERRUPTS()关闭中断的时候定时器 3 是不会受影响的。
(2)、设置定时器 5 的抢占优先级为 5，等于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY， 因此在调用函数 portDISABLE_INTERRUPTS()关闭中断的时候定时器 5 中断肯定会被关闭的。
八、消息队列
1、简介：队列可在任务与任务、任务与中断间传递消息，队列中可以存储有限的、大小固定的数据项目。队列能保存的最大数据项目数量叫队列长度（如char类型的数据项大小为1），创建队列时会指定数据项大小和队列长度。
FreeRTOS 中信号量也是依据队列实现的。
2、特点：
（1）、数据存储：通常采用先进先出(FIFO)的缓冲机制，也可以使用 LIFO 的存储缓冲，即后进先出。数据发送到队列中会导致数据拷贝，即值传递（虽浪费一点时间，但消息发送到队列后原始的数据缓冲区就可以删除或覆写）。如果数据量大也可以向队列中发送指向这个消息的地址（址传递：址传递的话消息内容必须一直保持可见性）。
（2）、多任务访问：队列不属于某个指定的任务。每个任务都可以向队列发送和读取消息。
（3）、出队阻塞：任务从一个队列中读取消息时可指定阻塞时间（即等待消息），时间单位为时钟节拍数。为0则不阻塞。
（4）、入队阻塞：队列满的情况下发送肯定失败。
如图，此时队列剩余长度就是三了，发送完成x变量可以再次使用
任务 B 从队列中读取完成后可清除消息或不清除。如过清除则其他任务或中断就不能获取这个消息，而队列剩余大小就会加一。
3、创建队列（下列函数中相同的参数和返回值就没有重复说明）
(1)、QueueHandle_t xQueueCreate (UBaseType_t uxQueueLength, UBaseType_t uxItemSize) //返回值：成功：返回队列句柄，失败：返回NULL。
参数 ：uxQueueLength ：队列长度，即队列的项目数
uxItemSize：队列中每个项目（消息）的长度，单位：字节
(2)、静态创建：QueueHandle_t xQueueCreateStatic(UBaseType_t uxQueueLength,UBaseType_t uxItemSize, uint8_t * pucQueueStorageBuffer, StaticQueue_t * pxQueueBuffer) 参数：前两个与上面函数一致 ，返回同上。
参数 ：pucQueueStorageBuffer：指向自行分配的uint8_t 类型消息存储数组，内存大于等于(uxQueueLength * uxItemsSize)字节。
pxQueueBuffer: 此参数指向一个 StaticQueue_t 类型的变量，用来保存队列结构体。
(3)、动态创建：QueueHandle_t xQueueGenericCreate( const UBaseType_t uxQueueLength, const UBaseType_t uxItemSize, const uint8_t ucQueueType )
参数 ： ucQueueType ：队列类型，由于信号量也是通过队列实现，也是通过此函数创建，因此创建时要指定用途，即类型：六种
(1)、BaseType_t xQueueSend( QueueHandle_t xQueue, const void * pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait) //返回值：pdPASS： 成功 errQUEUE_FULL: 失败，队列满。
参数：xQueue： 队列句柄，指明向哪个队列的句柄发送数据。
pvItemToQueue：指向要发送的消息，发送时候会将这个消息拷贝到队列中。
xTicksToWait： 阻塞时间，当队列满时任务进入阻塞态等待，0：队列满立即返回。portMAX_DELAY：死等，但宏INCLUDE_vTaskSuspend必须为1。
(2)、此函数才是真正干活的，其它所有的任务级入队函数最终都是调用此函数：
BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue, const void * const pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait, const BaseType_t xCopyPosition )
参数 ：xCopyPosition: 入队方式，有三种入队方式：queueSEND_TO_BACK： 后向入队
参数 ：pxHigherPriorityTaskWoken： 标记退出此函数后是否进行任务切换，此变量值自动设置，用户只需提供一 个变量来保存。当此值为 pdTRUE 时：退出中断服务函数前必须进行一次任务切换。
这些函数都是在中断中，不在任务中，所以没有阻塞
(4)、此函数才是真正干活的，其它所有的中断级入队函数最终都是调用此函数：
BaseType_t xQueueGenericSendFromISR(QueueHandle_t xQueue, const void* pvItemToQueue, BaseType_t* pxHigherPriorityTaskWoken, BaseType_t xCopyPosition)
(1)、BaseType_t xQueueReceive(QueueHandle_t xQueue, void * pvBuffer, TickType_t xTicksToWait) 返回： 读取成功：pdTRUE 读取失败：pdFALSE
详解：读取成功会将队列中的这条数据删除，本质是个宏，真正执行的函数是 xQueueGenericReceive()，读取消息时采用拷贝方式，需要提供一个数组或缓冲区来保存，读取长度为创建队列时每个队列项目的长度。
参数：xQueue： 队列句柄，读取哪个队列数据(2)、BaseType_t xQueuePeek(QueueHandle_t xQueue, void * pvBuffer, TickType_t xTicksToWait) 与a函数区别为：读取成功不会将队列中的这条数据删除。
(3)、 BaseType_t xQueueGenericReceive(QueueHandle_t xQueue, void* pvBuffer, TickType_t xTicksToWait ,BaseType_t xJustPeek) //此函数才是真正干活的，如上a、b函数最终都是调用它：
参数：标记读取成功后是否删除队列项，为pdTRUE时不删除,a函数参数，pdFALSE删除，b函数参数。
(4)、此函数是a函数的中断版本：BaseType_t xQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue, void* pvBuffer, BaseType_t * pxTaskWoken)
参数：中断没有阻塞概念，pxTaskWoken：标记此函数退出后是否进行任务切换，此变量自动设置，提供一个变量保存这个值即可，值为pdTRUE 时需要切换
(5)、此函数是b函数的中断版本：BaseType_t xQueuePeekFromISR(QueueHandle_t xQueue, void * pvBuffer)
7、获取队列消息数量和剩余大小：uxQueueSpacesAvailable()获取队列剩余大小；uxQueueMessagesWaiting()获取队列当前消息数量；
九、信号量
1、简介：信号量一般用来进行资源管理和任务同步，信号量分为二值信号量、计数型信号量、互斥信号量和递归互斥信号量。
二值信号量
2、二值信号量：(1)、二值信号量其实就是一个只有一个队列项的队列，此队列要么是满的，要么是空 的，这不正好就是二值吗？
通常用于互斥访问或同步，与互斥信号量类似，区别在于互斥信号量拥有优先级继承机制，二值信号量没有。因此更适合用于任务与任务或任务与中断间的同步。而互斥信号量适用于简单的互斥访问。
(2)、应用场景：网络中，一般用一个任务去轮询查询 MCU 的 ETH(如 STM32 的以太网MAC)外设是否有数据，轮询即浪费CPU资源，又阻止了其他任务运行。理想是无数据时阻塞把CPU让出。如：使用二值信号量，任务通过获取信号量判断是否有数据，没有则阻塞，（一般通过中断判断是否有数据，如STM32的MAC的DMA中断）中断服务函数释放信号量，任务接收信号量。也可使用队列替代，在中断中发送数据到队列，队列无效任务阻塞，直至有数据。
3、创建二值信号量：和队列一样，要想使用就要先创建二值信号量：
(1)、SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinary( void ) 此函数创建时 RAM 由 FreeRTOS 内存管理部分来动态分配。创建好的二值信号量默认为空，即使用函数 xSemaphoreTake()获取不到，相当于宏。
(2)、如下函数创建信号量所需要的RAM由用户分配，相当于宏，具体是调用 xQueueGenericCreateStatic() 函数实现。
SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateBinaryStatic( StaticSemaphore_t *pxSemaphoreBuffer ) //返回：创建失败： NULL, 成功：二值信号量句柄
参数：pxSemaphoreBuffer ：此参数指向一个 StaticSemaphore_t 类型的变量，用来保存信号量结构体
4、优先级翻转
使用二值信号量时常见的一个问题——优先级翻转，在可剥夺内核中比较常见，但在实时系统中不允许出现这种现象，这样会破坏任务的预期顺序，可能会导致严重的后果。如下示意图：
如上， H 优先级实际上降到了 L 的水平。因为 H 要一直等待直到 L 释放其占用的共享资源。由于 M 剥夺了 L 的 CPU 使用权，使得 H 情况更糟，就相当于 M 的优先级高于 H，导致优先级翻转。
注意：优先级翻转只会在使用共享资源时发生，因此在任务设计中应该尽可能避免共享资源的竞争。合理使用优先级继承和优先级屏蔽也能避免此问题，如互斥信号量。
递归互斥信号量
1、简介：特殊互斥信号量，已经获取了互斥信号量的任务就不能再次获取这个互斥信号量，但递归互斥信号量中可以再次获取，且次数不限。
2、创建：（这里不详解了）
计数型信号量
1、简介：二值信号量相当于长度为 1 的队列，那么 计数型信号量就是长度大于 1 的队列。同二值信号量一样，用户不需要关心队列中存储了什么 数据，只需关心队列是否为空即可。
2、如何使用：事件发生时在处理函数中释放信号量(增加信号量的计数值)，其他任务获取信号量(信号量计数值减一，值为队列结构体变量uxMessagesWaiting)处理事件。值为 0 说明没有资源了 ，任务使用完资源后要释放信号量，创建的信号量初值为 0。
3、创建计数型信号量：
(1)、SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount ) //所需内存动态分配，本质为宏，真正完成创建的是 xQueueCreateCountingSemaphore() 。
(2)、SemaphoreHandle_t xSemaphoreCreateCountingStatic( UBaseType_t uxMaxCount, UBaseType_t uxInitialCount, StaticSemaphore_t * pxSemaphoreBuffer ) //返回：失败：NULL 成功：句柄
内存用户分配，相当于宏，执行函数：xQueueCreateCountingSemaphoreStatic()
释放信号量（同队列一样，不管什么类型信号量，释放时也分为任务级和中断级）
1、BaseType_t xSemaphoreGive( xSemaphore ) //参数：信号量句柄 返回：成功：pdPASS 失败：errQUEUE_FULL
2、如下函数用于中断中释放信号量，只能释放二值信号量和计数型信号量，不能用来在中断中释放互斥信号量。
BaseType_t xSemaphoreGiveFromISR( SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken) //返回：成功：pdPASS 失败：errQUEUE_FULL
参数： xSemaphore ： 信号量句柄
pxHigherPriorityTaskWoken：退出后是否任务切换，此变量自动设置，提供一个变量保存这个值即可，为 pdTRUE 时需要切换。
获取信号量（不管什么类型信号量，都使用如下函数获取）
1、BaseType_t xSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore, TickType_t xBlockTime) //返回：pdTRUE：获取信号量成功 pdFALSE：超时，获取失败
参数：xSemaphore：要获取的信号量句柄
xBlockTime: 阻塞时间
2、BaseType_t xSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore, BaseType_t * pxHigherPriorityTaskWoken) //返回：pdPASS: 获取信号量成功 pdFALSE: 获取失败
参数： pxHigherPriorityTaskWoken： 标记退出函数后是否任务切换，此变量自动设置，提供一个变量保存这个值即可，为 pdTRUE 时需要切换。
十、事件标志组（不详解）
1、简介：使用信号量只能与单个的事件或任务进行同步。有时某个任务可能需要与多个事件或任务进行同步，为此FreeRTOS 提供了事件标志组。
2、创建事件标志组：
3、设置事件位：
4、 获取事件标志组值：
十一、任务通知
从 v8.2.0 版本开始，FreeRTOS 新增了任务通知(Task Notifictions)功能，可以用来代替信号量、消息队列、事件标志组等这些东西。且效率更高。可选功能，使用时将宏 configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 定义为 1。
1、简介：任务通知是一个事件，假如某个任务通知的接收任务因为等待任务通知而阻塞的话，向这个接收任务发送任务通知后就会解除这个任务的阻塞状态，也可以更新接收任务的任务通知值：
● 不覆盖接收任务的通知值(如果上次发送给接收任务的通知还没被处理)。
● 覆盖接收任务的通知值。
● 更新接收任务通知值的一个或多个 bit。
● 增加接收任务的通知值。
2、特点：● 只能有一个接收任务，其实大多数的应用都是这种情况。
● 接收任务可以因为接收任务通知失败而进入阻塞态，但是发送任务不会因为任务通知发送失败而阻塞。
● 只能发送32位的数据值（可以模拟一个轻量级消息邮箱而不是轻量级消息队列，任务通知值就是消息邮箱的值）。
3、发送任务通知：
（1）、BaseType_t xTaskNotify( TaskHandle_t xTaskToNotify, uint32_t ulValue, eNotifyAction eAction ) //此函数是个宏，真正执行的函数 xTaskGenericNotify()
参数：xTaskToNotify： 任务句柄，指定任务通知是发送给哪个任务的。
4、获取任务通知：
（1）、uint32_t ulTaskNotifyTake( BaseType_t xClearCountOnExit, TickType_t xTicksToWait )
参数：xClearCountOnExit： 参数为 pdFALSE：在退出函数时任务通知值减一，类似计数型信号量。参数为 pdTRUE：在退出函数时任务任务通知值清零，类似二值信号量。
十、软件定时器
FreeRTOS 提供了软件定时器功能，不过精度没有MCU 自带硬件定时器高，但 对于精度要求不高的周期性处理任务来说够了。（不详解）
