FreeRTOS學(xué)習(xí)筆記 | 基礎(chǔ)知識(shí)體系梳理

我發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí) RTOS 是學(xué)習(xí) Linux 內(nèi)核的好方法。大有彎道超車的可能。

1. 任務(wù)堆棧

2. 任務(wù)狀態(tài)

3. 任務(wù)優(yōu)先級

4. 任務(wù)調(diào)度

5. 臨界區(qū)、鎖與系統(tǒng)時(shí)間

• 1.1 任務(wù)棧大小確定

  1.2 棧溢出檢測機(jī)制

  3.1任務(wù)優(yōu)先級說明

  3.2 任務(wù)優(yōu)先級分配方案

  3.3 任務(wù)優(yōu)先級與終端優(yōu)先級的區(qū)別

  4.1 調(diào)度器

  5.1 臨界區(qū)與開關(guān)中斷

  5.2 鎖

  5.3 FreeRTOS 系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍和時(shí)間管理

一、 單任務(wù)系統(tǒng)（裸機(jī)）

主要是采用超級循環(huán)系統(tǒng)（前后臺(tái)系統(tǒng)），應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分可以看做后臺(tái)行為；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分可以看做是前臺(tái)行為。后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級，前臺(tái)也叫作中斷級。

前后臺(tái)系統(tǒng)的編程思路有兩種：輪詢方式（實(shí)時(shí)性得不到保障，緊急與非緊急消息不能有效管理）、中斷方式（可以保證一定的實(shí)時(shí)性，緊急消息可以得到響應(yīng)）。

采用中斷和查詢結(jié)合的方式可以解決大部分裸機(jī)應(yīng)用，但隨著工程的復(fù)雜，裸機(jī)方式的缺點(diǎn)就暴露出來了：

二、多任務(wù)系統(tǒng)（帶OS）

采用多任務(wù)系統(tǒng)可以以上的裸機(jī)開發(fā)遇到的4大缺點(diǎn)。

RTOS的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)就在這個(gè)OS任務(wù)調(diào)度器上，調(diào)度器的作用就是使用相關(guān)的調(diào)度算法來決定當(dāng)前需要執(zhí)行的任務(wù)。

FreeRTOS就是一款支持多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有時(shí)間片、搶占式和合作式三種調(diào)度方式。通過 FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以將程序函數(shù)分成獨(dú)立的任務(wù)，并為其提供合理的調(diào)度方式。

1. 任務(wù)堆棧

棧大小 0x400 = 1024,單位字節(jié)。在RTOS下，上面截圖里設(shè)置的棧大小有了一個(gè)新名字叫做系統(tǒng)?？臻g，而任務(wù)棧是不使用這里的空間,哪里使用這里的棧空間呢，實(shí)際上是中斷函數(shù)和中斷嵌套。

由于 Cortex-M3 和 M4 內(nèi)核具有雙堆棧指針，MSP 主堆棧指針和 PSP 進(jìn)程堆棧指針，或者叫 PSP 任務(wù)堆棧指針也是可以的。在 FreeRTOS 操作系統(tǒng)中，主堆棧指針 MSP 是給系統(tǒng)?？臻g使用的，進(jìn) 程堆棧指針 PSP 是給任務(wù)棧使用的。也就是說，在 FreeRTOS 任務(wù)中，所有棧空間的使用都是通過 PSP 指針進(jìn)行指向的。一旦進(jìn)入了中斷函數(shù)以及可能發(fā)生的中斷嵌套都是用的 MSP 指針。這個(gè)知識(shí) 點(diǎn)要記住它，當(dāng)前可以不知道這是為什么，但是一定要記住。

實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)棧空間分配多大，主要是看可能發(fā)生的中斷嵌套層數(shù)，下面我們就按照最壞執(zhí)行情況 進(jìn)行考慮，所有的寄存器都需要入棧，此時(shí)分為兩種情況：

64 字節(jié)：對于 Cortex-M3 內(nèi)核和未使用 FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）功能的 Cortex-M4 內(nèi)核在發(fā)生中斷時(shí)需要將 16 個(gè)通用寄存器全部入棧，每個(gè)寄存器占用 4 個(gè)字節(jié)，也就是 16*4 = 64 字節(jié)的空間?？赡馨l(fā)生幾次中斷嵌套就是要 64 乘以幾即可。當(dāng)然，這種是最壞執(zhí)行情況，也就是所有的寄存器都入棧。（注：任務(wù)執(zhí)行的過程中發(fā)生中斷的話，有 8 個(gè)寄存器是自動(dòng)入棧的，這個(gè)棧是任務(wù)棧，進(jìn)入中斷以后其余寄存器入棧以及發(fā)生中斷嵌套都是用的系統(tǒng)棧）

200 字節(jié): 對于具有 FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）功能的 Cortex-M4 內(nèi)核，如果在任務(wù)中進(jìn)行了浮點(diǎn)運(yùn)算，那么在發(fā)生中斷的時(shí)候除了 16 個(gè)通用寄存器需要入棧，還有 34 個(gè)浮點(diǎn)寄存器也是要入棧的，也就是(16+34)*4 = 200 字節(jié)的空間。當(dāng)然，這種是最壞執(zhí)行情況，也就是所有的寄存器都入棧。

1.1 任務(wù)棧大小確定

1.2 棧溢出檢測機(jī)制

棧生長方向從高地址向低地址生長（M4 和 M3 是這種方式）

上圖標(biāo)識(shí) 3 的位置是局部變量 int i 和 int array[10]占用的?？臻g，但申請了?？臻g后已經(jīng)越界了。這個(gè)就是所謂的棧溢出了。如果用戶在函數(shù) test 中通過數(shù)組 array 修改了這部分越界區(qū)的數(shù)據(jù)且這部分越界的?？臻g暫時(shí)沒有用到或者數(shù)據(jù)不是很重要，情況還不算嚴(yán)重，但是如果存儲(chǔ)的是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

上圖標(biāo)識(shí) 4 的位置是局部變量申請了?？臻g后，棧指針向下偏移（返回地址+變量 i+10 個(gè)數(shù)組元素）*4 =48 個(gè)字節(jié)。

上圖標(biāo)識(shí) 5 的位置可能是其它任務(wù)的棧空間，也可能是全局變量或者其它用途的存儲(chǔ)區(qū)，如果 test函數(shù)在使用中還有用到棧的地方就會(huì)從這里申請，這部分越界的空間暫時(shí)沒有用到或者數(shù)據(jù)不是很重要，情況還不算嚴(yán)重，但是如果存儲(chǔ)的是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

FreeRTOS 提供了兩種棧溢出檢測機(jī)制，這兩種檢測都是在任務(wù)切換時(shí)才會(huì)進(jìn)行：

使用方法一需要用戶在 FreeRTOSConfig.h 文件中配置如下宏定義：

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 1

使用方法二需要用戶在 FreeRTOSConfig.h 文件中配置如下宏定義：

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2

除了 FreeRTOS 提供的這兩種棧溢出檢測機(jī)制，還有其它的棧溢出檢測機(jī)制，大家可以在 Mircrium 官方發(fā)布的如下這個(gè)博文中學(xué)習(xí)：https://www.micrium.com/detecting-stack-overflows-part-2-of-2/

2. 任務(wù)狀態(tài)

FreeRTOS的任務(wù)狀態(tài)（4種）：1.運(yùn)行態(tài)(Running) 2.就緒態(tài)(Ready) 3.阻塞態(tài)(Blocked) 4.掛起態(tài)(Suspended)

ucos的任務(wù)狀態(tài)（5種）：1.睡眠狀態(tài) 2.就緒狀態(tài) 3.等待狀態(tài) 4.中斷服務(wù)狀態(tài) 5.執(zhí)行狀態(tài)

當(dāng)任務(wù)處于實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)被稱之為運(yùn)行態(tài)，即 CPU 的使用權(quán)被這個(gè)任務(wù)占用。

處于就緒態(tài)的任務(wù)是指那些能夠運(yùn)行（沒有被阻塞和掛起），但是當(dāng)前沒有運(yùn)行的任務(wù)，因?yàn)橥瑑?yōu)先 級或更高優(yōu)先級的任務(wù)正在運(yùn)行。

由于等待信號(hào)量，消息隊(duì)列，事件標(biāo)志組等而處于的狀態(tài)被稱之為阻塞態(tài)，另外任務(wù)調(diào)用延遲函數(shù)也 會(huì)處于阻塞態(tài)。

類似阻塞態(tài)，通過調(diào)用函數(shù) vTaskSuspend()對指定任務(wù)進(jìn)行掛起，掛起后這個(gè)任務(wù)將不被執(zhí)行，只 有調(diào)用函數(shù) xTaskResume()才可以將這個(gè)任務(wù)從掛起態(tài)恢復(fù)。

3. 任務(wù)優(yōu)先級

3.1任務(wù)優(yōu)先級說明

3.2 任務(wù)優(yōu)先級分配方案

特別注意：IRQ 任務(wù)和高優(yōu)先級任務(wù)必須設(shè)置為阻塞式（調(diào)用消息等待或者延遲等函數(shù)即可），只有這樣，高優(yōu)先級任務(wù)才會(huì)釋放 CPU 的使用權(quán)，,從而低優(yōu)先級任務(wù)才有機(jī)會(huì)得到執(zhí)行。這里的優(yōu)先級分配方案是我們推薦的一種方式，實(shí)際項(xiàng)目也可以不采用這種方法。調(diào)試出適合項(xiàng)目需求的才是最好的。

3.3 任務(wù)優(yōu)先級與終端優(yōu)先級的區(qū)別

這兩個(gè)之間沒有任何關(guān)系，不管中斷的優(yōu)先級是多少，中斷的優(yōu)先級永遠(yuǎn)高于任何任務(wù)的優(yōu)先級，即任務(wù)在執(zhí)行的過程中，中斷來了就開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

另外對于 STM32F103，F(xiàn)407 和 F429 來說，中斷優(yōu)先級的數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。而 FreeRTOS的任務(wù)優(yōu)先級是，任務(wù)優(yōu)先級數(shù)值越小，任務(wù)優(yōu)先級越低。

4. 任務(wù)調(diào)度

FreeRTOS就是一款支持多任務(wù)運(yùn)行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有時(shí)間片、搶占式和合作式三種調(diào)度方式。

4.1 調(diào)度器

調(diào)度器就是使用相關(guān)的調(diào)度算法來決定當(dāng)前需要執(zhí)行的任務(wù)。所有的調(diào)度器有一個(gè)共同的 特性：

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心就是調(diào)度器和任務(wù)切換，調(diào)度器的核心就是調(diào)度算法。任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)在不同的嵌 入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中區(qū)別不大，基本相同的硬件內(nèi)核架構(gòu)，任務(wù)切換也是相似的。調(diào)度算法就有些區(qū)別了。

4.1.1 搶占式調(diào)度器

使用了搶占式調(diào)度，最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到 CPU 的控制權(quán)。比如，當(dāng)一個(gè)運(yùn)行著的任務(wù)被其它高優(yōu)先級的任務(wù)搶占，當(dāng)前任務(wù)的 CPU 使用權(quán)就被剝奪了，或者說被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了 CPU 的控制權(quán)并運(yùn)行。又比如，如果中斷服務(wù)程序使一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，中斷完成時(shí)，被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)被掛起，優(yōu)先級高的那個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行。使用搶占式調(diào)度器，使得最高優(yōu)先級的任務(wù)什么時(shí)候可以得到 CPU 的控制權(quán)并運(yùn)行是可知的，同時(shí)使得任務(wù)級響應(yīng)時(shí)間得以最優(yōu)化。

總的來說，學(xué)習(xí)搶占式調(diào)度要掌握的最關(guān)鍵一點(diǎn)是：每個(gè)任務(wù)都被分配了不同的優(yōu)先級，搶占式調(diào)度器會(huì)獲得就緒列表中優(yōu)先級最高的任務(wù)，并運(yùn)行這個(gè)任務(wù)。

在 FreeRTOS 的配置文件 FreeRTOSConfig.h 中禁止使用時(shí)間片調(diào)度，那么每個(gè)任務(wù)必須配置不同的優(yōu)先級。當(dāng) FreeRTOS 多任務(wù)啟動(dòng)執(zhí)行后，基本會(huì)按照如下的方式去執(zhí)行：

Task1由于延遲時(shí)間到，接收到信號(hào)量消息等方面的原因，使得 Task1從掛起狀態(tài)恢復(fù)到就緒態(tài)， 在搶占式調(diào)度器的作用下，Task2 的執(zhí)行會(huì)被 Task1 搶占。

Task2 會(huì)一直運(yùn)行直到遇到系統(tǒng)阻塞式的 API 函數(shù)，比如延遲，事件標(biāo)志等待，信號(hào)量等待，Task2任務(wù)會(huì)被掛起，繼而執(zhí)行就緒列表中下一個(gè)最高優(yōu)先級的任務(wù)。

4.1.2 時(shí)間片調(diào)度器

在小型的嵌入式 RTOS 中，最常用的的時(shí)間片調(diào)度算法就是 Round-robin 調(diào)度算法。這種調(diào)度算法可以用于搶占式或者合作式的多任務(wù)中。另外，時(shí)間片調(diào)度適合用于不要求任務(wù)實(shí)時(shí)響應(yīng)的情況。

實(shí)現(xiàn) Round-robin 調(diào)度算法需要給同優(yōu)先級的任務(wù)分配一個(gè)專門的列表，用于記錄當(dāng)前就緒的任務(wù)，并為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)時(shí)間片（也就是需要運(yùn)行的時(shí)間長度，時(shí)間片用完了就進(jìn)行任務(wù)切換）。

在 FreeRTOS 操作系統(tǒng)中只有同優(yōu)先級任務(wù)才會(huì)使用時(shí)間片調(diào)度，另外還需要用戶在FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定義：

#define configUSE_TIME_SLICING 1

默認(rèn)情況下，此宏定義已經(jīng)在 FreeRTOS.h 文件里面使能了，用戶可以不用在FreeRTOSConfig.h 文件中再單獨(dú)使能。示例：

5. 臨界區(qū)、鎖與系統(tǒng)時(shí)間

5.1 臨界區(qū)與開關(guān)中斷

代碼的臨界臨界區(qū)，一旦這部分代碼開始執(zhí)行，則不允許任何中斷打斷。為確保臨界區(qū)代碼的執(zhí)行不被中斷，在進(jìn)入臨界區(qū)之前須關(guān)中斷，而臨界區(qū)代碼執(zhí)行完畢后，要立即開中斷。

FreeRTOS 的源碼中有多處臨界段的地方， 臨界段雖然保護(hù)了關(guān)鍵代碼的執(zhí)行不被打斷， 但也會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。比如此時(shí)某個(gè)任務(wù)正在調(diào)用系統(tǒng) API 函數(shù)，而且此時(shí)中斷正好關(guān)閉了，也就是進(jìn)入到了臨界區(qū)中，這個(gè)時(shí)候如果有一個(gè)緊急的中斷事件被觸發(fā)，這個(gè)中斷就不能得到及時(shí)執(zhí)行，必須等到中斷開啟才可以得到執(zhí)行， 如果關(guān)中斷時(shí)間超過了緊急中斷能夠容忍的限度， 危害是可想而知的。

FreeRTOS 源碼中就有多處臨界段的處理，跟 FreeRTOS 一樣，uCOS-II 和 uCOS-III 源碼中都是有臨界段的，而 RTX 的源碼中不存在臨界段。另外，除了 FreeRTOS 操作系統(tǒng)源碼所帶的臨界段以外，用戶寫應(yīng)用的時(shí)候也有臨界段的問題，比如以下兩種：

重入函數(shù)的實(shí)現(xiàn)特征一般而言，重入函數(shù)具有如下特征：

函數(shù)內(nèi)部無整個(gè)軟件生命周期的變量（靜態(tài)變量）

未引用或者訪問整個(gè)軟件生命周期的變量（全局變量）

FreeRTOS 任務(wù)代碼中臨界段的進(jìn)入和退出主要是通過操作寄存器 basepri 實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)入臨界段前操作寄存器 basepri 關(guān)閉了所有小于等于宏定義configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY所定義的中斷優(yōu)先級，這樣臨界段代碼就不會(huì)被中斷干擾到，而且實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換功能的 PendSV 中斷和滴答定時(shí)器中斷是最低優(yōu)先級中斷，所以此任務(wù)在執(zhí)行臨界段代碼期間是不會(huì)被其它高優(yōu)先級任務(wù)打斷的。退出臨界段時(shí)重新操作 basepri 寄存器，即打開被關(guān)閉的中斷（這里我們不考慮不受 FreeRTOS 管理的更高優(yōu)先級中斷）。

與任務(wù)代碼里臨界段的處理方式類似，中斷服務(wù)程序里面臨界段的處理也有一對開關(guān)中斷函數(shù)。

5.2 鎖

調(diào)度鎖就是 RTOS 提供的調(diào)度器開關(guān)函數(shù)，如果某個(gè)任務(wù)調(diào)用了調(diào)度鎖開關(guān)函數(shù)，處于調(diào)度鎖開和調(diào)度鎖關(guān)之間的代碼在執(zhí)行期間是不會(huì)被高優(yōu)先級的任務(wù)搶占的，即任務(wù)調(diào)度被禁止。這一點(diǎn)要跟臨界段的作用區(qū)分開，調(diào)度鎖只是禁止了任務(wù)調(diào)度，并沒有關(guān)閉任何中斷，中斷還是正常執(zhí)行的。而臨界段進(jìn)行了開關(guān)中斷操作。調(diào)度鎖相關(guān)函數(shù);

簡單的說，為了防止當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行被其它高優(yōu)先級的任務(wù)打斷而提供的鎖機(jī)制就是任務(wù)鎖。

FreeRTOS 也沒有專門的任務(wù)鎖函數(shù)，但是使用 FreeRTOS 現(xiàn)有的功能有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

中斷鎖就是 RTOS 提供的開關(guān)中斷函數(shù)，F(xiàn)reeRTOS 沒有專門的中斷鎖函數(shù)，使用中斷服務(wù)程序臨界段處理函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)同樣效果。

5.3 FreeRTOS 系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍和時(shí)間管理

5.3.1 FreeRTOS 時(shí)鐘節(jié)拍

任何操作系統(tǒng)都需要提供一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，以供系統(tǒng)處理諸如延時(shí)、 超時(shí)等與時(shí)間相關(guān)的事件。時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷，這個(gè)中斷可以看做是系統(tǒng)心跳。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般是 1ms – 100ms。時(shí)鐘的節(jié)拍中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延遲若干個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)等依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。任何操作系統(tǒng)都需要提供一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，以供系統(tǒng)處理諸如延時(shí)、 超時(shí)等與時(shí)間相關(guān)的事件。時(shí)鐘節(jié)拍是特定的周期性中斷，這個(gè)中斷可以看做是系統(tǒng)心跳。中斷之間的時(shí)間間隔取決于不同的應(yīng)用，一般是 1ms – 100ms。時(shí)鐘的節(jié)拍中斷使得內(nèi)核可以將任務(wù)延遲若干個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，以及當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)等依據(jù)。時(shí)鐘節(jié)拍率越快，系統(tǒng)的額外開銷就越大。

對于 Cortex-M3 內(nèi)核的 STM32F103 和 Cortex-M4 內(nèi)核的 STM32F407 以及 F429，教程配套的例子都是用滴答定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的。

5.3.2 FreeRTOS 時(shí)間管理

時(shí)間管理功能是 FreeRTOS 操作系統(tǒng)里面最基本的功能，同時(shí)也是必須要掌握好的。

FreeRTOS 中的時(shí)間延遲函數(shù)主要有以下兩個(gè)作用：

為周期性執(zhí)行的任務(wù)提供延遲。

對于搶占式調(diào)度器，讓高優(yōu)先級任務(wù)可以通過時(shí)間延遲函數(shù)釋放 CPU 使用權(quán)，從而讓低優(yōu)先級任務(wù)可以得到執(zhí)行。

通過如下的框圖來說明一下延遲函數(shù)對任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的影響，有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。

對任務(wù) Task1 的運(yùn)行狀態(tài)做說明，調(diào)度器支持時(shí)間片調(diào)度和搶占式調(diào)度。運(yùn)行過程描述如下：