本文最后更新于 2025-06-10，学习久了要注意休息哟

第一章 FreeRTOS 介绍

1.1 裸机开发与操作系统介绍

1.1.1 裸机开发

裸机开发（Bare-metal）指的是不依赖任何操作系统，直接编写程序运行在硬件上的一种开发方式。STM32 中我们常用的 main() 函数 + 初始化 + 无限循环结构，就是裸机开发的典型代表。

1、特点

  • 程序结构单一，所有功能写在 main() 的大循环中。
  • 中断服务函数承担“前台”角色，主循环作为“后台”执行。
  • 延时 delay 会造成 CPU 空等，浪费资源。
  • 所有功能堆叠在一个任务流中，结构臃肿，扩展困难。

2、举例

玩游戏和回复消息不能同时进行，必须先完成一项才能做另一项 —— 这是裸机的本质：“轮流执行”

1.1.2 操作系统

操作系统（Operating System, OS）是一个系统控制程序，它作为应用程序和硬件之间的桥梁，主要负责资源的协调与调度。

一个完整的计算系统包含：

  1. 硬件层：CPU、内存、I/O 外设等设备，提供基础的运行资源
  2. 操作系统层：负责资源分配、中断响应、任务调度，是连接硬件与应用的中间层
  3. 应用层：由用户编写的程序，通过操作系统提供的接口访问硬件，实现各种功能

1、特点

  • 操作系统支持 多任务并发执行，每个任务独立运行，由调度器控制切换
  • 提供 任务管理、内存管理、文件系统、驱动支持等功能
  • 避免了资源冲突，提升了系统的可扩展性和稳定性
  • 支持多种调度算法（如抢占式、时间片轮转）实现高效资源利用

2、举例

玩游戏的同时还能及时收到微信消息、后台下载文件 —— 这些就是操作系统带来的 “多任务调度与并发能力”

操作系统就像一个“管理者”，它将 CPU 资源公平地分配给多个任务，每个任务只关注自己的逻辑，系统整体运行更加高效与可维护。

1.1.3 区别对比

| 对比维度 | 裸机开发 | 操作系统开发（如 RTOS） |
|———-|———-|—————————|
| 编程方式 | 顺序流程 + 中断响应 | 多任务并发调度 |
| 延时机制 | delay 空等 | 自动释放 CPU 给其他任务 |
| 多任务支持 | 无，需要人为管理 | 原生支持多个任务 |
| 实时性保障 | 靠开发者手动实现 | 有抢占式调度机制 |
| CPU 利用率 | 低，容易浪费 | 高，资源合理分配 |
| 系统结构 | 所有功能都写在循环里 | 功能拆分为多个任务，独立调度 |
| 适用范围 | 简单项目、资源极少 | 实时控制、多任务复杂应用 |

1.2 实时操作系统与通用操作系统

操作系统从应用领域与特性上可以大致分为两类：

  • 通用操作系统（General Purpose OS）
  • 实时操作系统（Real-Time OS，简称 RTOS）

1.2.1 通用操作系统

通用操作系统（如 Windows、Linux、macOS）面向的是桌面、服务器、办公等通用计算场景，它们的特点是功能强大、资源管理能力丰富，但不强调时间上的“确定性”。

1、特点

  • 提供完整的图形界面、多用户支持、丰富的驱动程序
  • 重视系统的吞吐量与用户体验
  • 任务调度采用时间片轮转或优先级+公平调度
  • 当系统负载高时，某些任务响应可能延迟（不适合硬实时场景）

2、场景

  • 台式电脑、笔记本电脑
  • 网站服务器
  • 办公软件运行环境（Word、Photoshop 等）

1.2.2 实时操作系统

实时操作系统强调的是任务在规定时间内完成，即任务具有明确的时间约束。RTOS 常用于工业控制、智能硬件、汽车电子等对响应时间有严格要求的系统中。

1、特点

  1. 实时性强：系统必须在设定的时间范围内响应事件
  2. 抢占式调度：高优先级任务能立即打断低优先级任务
  3. 任务分离：每个功能作为独立任务运行，便于维护与扩展
  4. 小巧高效：代码体积小，占用资源低，适合单片机

2、示例

  • 工业自动化控制（如 PLC 系统）
  • 医疗设备控制系统（如心电监测仪）
  • 航空航天（如姿态控制系统）
  • 智能硬件（如智能音箱、扫地机器人）
  • 汽车电子（如自动刹车系统、气囊控制器）

1.3 FreeRTOS 实时操作系统

FreeRTOS 是嵌入式领域中应用最广泛的轻量级实时操作系统之一，由 Richard Barry 创建，现由亚马逊（Amazon）维护。它被广泛应用于 ARM Cortex-M、AVR、RISC-V 等嵌入式平台上。

1.3.1 FreeRTOS 系统简介

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一个开源的、可移植的、裁剪灵活的嵌入式实时操作系统内核，遵循 MIT 开源协议，免费商用。

  • 官网地址：https://www.freertos.org
  • 开源协议：MIT License（商业可用，限制少）
  • 支持平台：ARM Cortex-M、RISC-V、AVR、MSP430、x86 等多种架构
  • 典型内核大小：约 10KB（功能裁剪后）

1.3.2 FreeRTOS 系统特点

FreeRTOS 作为一个轻量级 RTOS，具备以下核心优势：

| 特性 | 描述 |
| ——- | —————————— |
| 小巧高效 | 代码精简，适合资源受限的单片机环境，内核约 10KB |
| 支持多任务 | 每个任务独立运行，可设定优先级，互不干扰 |
| 抢占式调度 | 高优先级任务可以抢占低优先级任务，保障实时性 |
| 丰富的同步机制 | 支持信号量、互斥锁、消息队列、事件组、软件定时器等 |
| 移植性强 | 提供标准接口 + 多平台支持，便于移植到任意 MCU 架构上 |
| 社区活跃 | 亚马逊维护，有大量开源项目和技术文档 |

1.3.3 FreeRTOS 应用场景

FreeRTOS 适合用于所有需要多任务调度与实时控制的嵌入式场景，例如：

  • 工业自动化控制：多任务并发控制生产线流程、设备调度等
  • 智能家居设备：语音识别 + 网络通信 + 控制模块同时运行
  • 车载系统：如仪表盘、自动灯光系统、辅助驾驶控制
  • 医疗设备：心电监护仪、生命体征采集等需高可靠性系统
  • 物联网终端：LoRa、NB-IoT、Wi-Fi 终端设备的数据采集与上传

第二章 FreeRTOS 基础

2.1 运行机制

FreeRTOS 的运行机制与传统裸机开发最大区别在于：程序不是从 main() 一直跑到底，而是由“任务调度器”管理多个任务的执行顺序。

2.3.1 基本执行流程

FreeRTOS 程序的运行一般包括以下几个关键步骤：

  1. 硬件初始化
  2. 初始化时钟、串口、外设等
  3. 任务创建
  4. 使用 xTaskCreate() 创建多个任务，每个任务都有自己的入口函数
  5. 启动调度器
  6. 调用 vTaskStartScheduler() 启动任务调度器，系统正式进入多任务运行状态
  7. 任务调度与运行
  8. 调度器根据优先级、就绪状态、延时等因素动态切换任务
  9. 空闲任务
  10. 当没有任何任务可运行时，系统会自动运行空闲任务（Idle Task）

2.3.2 操作系统与裸机的差异

| 项目 | 裸机程序 | FreeRTOS 程序 |
| —– | —————– | ——————– |
| 程序入口 | main() | main() 中创建任务 + 启动调度器 |
| 执行方式 | 顺序执行，死循环 | 多个任务同时存在，调度器切换执行 |
| 多任务支持 | 无 | 有 |
| 延时处理 | delay 造成阻塞，浪费 CPU | vTaskDelay 不会阻塞 CPU |
| 资源管理 | 手动管理，代码混乱 | 分模块开发，逻辑清晰 |

2.2.3 运行中的关键概念

  • 任务切换（Context Switch）
    调度器根据任务状态、优先级等条件自动切换任务运行，保存/恢复 CPU 上下文信息

  • 任务状态转换
    每个任务可能处于：就绪（Ready）、运行（Running）、阻塞（Blocked）、挂起（Suspended）等状态之间切换

  • 中断与调度的关系
    中断发生时可以打断当前任务，进入 ISR（中断服务函数），中断后可能触发调度器切换任务

2.2 系统时基

在 FreeRTOS 中，所有任务的延时、调度、超时管理等“时间相关行为”都依赖于一个统一的时间基准 —— 系统节拍（System Tick）。

2.2.1 系统Tick

系统 Tick 是由硬件定时器（如 SysTick）周期性产生的一个 时间中断信号，FreeRTOS 借此实现时间推进和任务切换。

每发生一次 Tick 中断，FreeRTOS 就会：

  • 更新内部时间计数器（Tick Count）
  • 判断是否有延时任务需要唤醒
  • 决定是否需要切换任务

2.2.2 节拍配置

系统 Tick 的频率通过配置宏 configTICK_RATE_HZ 设置，单位为 Hz：

#define configTICK_RATE_HZ 1000  // 表示 1 秒发生 1000 次 Tick 中断

| 值 | 每个 Tick 间隔 | 说明 |
| —- | ———- | ———- |
| 1000 | 1 ms | 精度高，常用 |
| 500 | 2 ms | 精度中，节省资源 |
| 100 | 10 ms | 精度低，适合简单项目 |

节拍频率越高，系统中断越频繁，时间精度更高，但 CPU 占用也更高。

2.2.3 时钟来源

STM32 通常使用 SysTick 定时器 作为系统 Tick 源。

初始化方式如下：

SysTick_Config(SystemCoreClock / configTICK_RATE_HZ);

  • SystemCoreClock：系统主频（如 168MHz）

  • configTICK_RATE_HZ：设定 Tick 频率（如 1000）

该配置表示每隔 1ms 触发一次中断。

2.2.4 任务延时

所有基于时间的任务操作，都依赖系统 Tick 计数器：

vTaskDelay(100);  // 当前任务延时 100 个 Tick

  • 系统每次 Tick 递减延时计数

  • 到期后，任务被置为就绪状态

  • 下一次调度器判断是否切换任务

如果 configTICK_RATE_HZ = 1000，表示每 1ms 一个 Tick
当你调用 vTaskDelay(500)，即让当前任务延时 500ms
在这段时间内，调度器将运行其他任务，直到当前任务“醒来”重新加入调度

2.3 多任务系统

FreeRTOS 的核心能力就是支持多任务（Multitasking）运行。每个任务（Task）本质上就是一个具有独立执行入口、独立堆栈空间的函数，它们由调度器轮流占用 CPU 时间，从而实现“伪并行”运行。

2.3.1 多任务概念

任务是一个可以独立运行的程序片段，每个任务具有：

  • 独立的函数入口
  • 自己的运行堆栈
  • 独立的运行状态与优先级

任务可以随时被挂起、中断、就绪、运行，这种状态的流转由 调度器 控制。

2.3.2 创建任务的基本方式

在 FreeRTOS 中，使用 xTaskCreate() 函数创建任务：

xTaskCreate(
    TaskFunction,     // 任务函数入口
    "TaskName",       // 任务名称（调试用）
    StackSize,        // 堆栈大小（单位：字）
    pvParameters,     // 传入任务的参数
    Priority,         // 任务优先级（数值越大优先级越高）
    &TaskHandle       // 任务句柄（可选）
);

任务创建后，系统不会立即执行，而是等待调用 vTaskStartScheduler() 启动调度器后，由调度器安排运行。

2.3.3 多任务的实际运行

  • 上半图（感知）：多个任务似乎同时运行，没有中断，也没有阻塞
  • 下半图（实际）：每个时间片只运行一个任务，调度器在任务之间快速切换

总结：只要任务切换速度足够快，用户就难以察觉切换，从而认为“多个任务在同时运行”。

使用多任务操作系统，可以显著提升软件架构的清晰度与可维护性：

  1. 分而治之：复杂应用可拆分为多个小任务，代码更清晰、功能更独立
  2. 简化控制逻辑：由 RTOS 自动调度，减少人为排队、等待、判断等代码
  3. 提高效率与响应：抢占式调度可优先执行重要任务，响应更快
  4. 便于协作开发与调试：每个任务模块独立，利于多人分工与模块测试
  5. 可复用性强：标准化任务结构便于代码移植和功能模块复用

多任务不是同时执行，而是“看起来像”同时执行。调度器负责在多个任务之间快速切换，实现高效的并发模拟。

2.4 任务调度

FreeRTOS 内核最核心的功能之一就是任务调度 —— 决定在某个时刻，哪个任务可以占用 CPU 执行。

任务调度器会根据任务的状态和优先级来进行切换，使得系统能在多个任务之间进行高效调度，从而模拟“并发”运行。

2.4.1 任务调度概述

FreeRTOS 支持以下三种调度方式：

| 调度方式 | 说明 |
| —– | ———————————– |
| 抢占式调度 | 高优先级任务可以随时打断低优先级任务执行 |
| 时间片调度 | 同优先级任务轮流执行，每个任务分配一个时间片 |
| 协程式调度 | 不推荐使用，由用户手动切换任务，FreeRTOS 官方已不再维护该方式 |

当前版本推荐使用 抢占式调度 + 时间片轮转调度，默认在 FreeRTOS 中均已支持。

2.4.2 抢占式调度

抢占式调度是指：高优先级任务随时可以打断低优先级任务的运行，实现“谁重要谁先执行”的调度策略。

  • 优先级越高的任务拥有更高的执行权

  • 一旦有更高优先级的任务变为就绪态，调度器立即中断当前任务并切换

  • 被抢占的任务会自动保存上下文，稍后恢复继续运行

  • Task1（优先级 1）先运行，随后被 Task2（优先级 2）抢占
  • Task2 被 Task3（优先级 3）进一步抢占
  • Task3 运行过程中，被 NVIC 硬件中断打断（中断优先级 > 任务）
  • 中断处理完毕后恢复 Task3 执行
  • Task3 执行结束或阻塞后，调度器切换回 Task2 继续执行

2.4.3 时间片调度

时间片调度是指：当多个任务拥有相同优先级时，调度器按顺序分配 CPU 时间给它们轮流运行。

每个任务获得的 CPU 时间称为“一个时间片”，它的长度由节拍定时器决定（通常是一个 Tick）。

  • 所有同级任务轮流运行，时间公平

  • 每个时间片到达时，调度器切换到下一个任务

  • 时间片浪费不会补发，即：如果某任务提前阻塞，下一个任务会直接开始，不再等待补齐时间

  • Task1 开始运行一个时间片
  • Task2 在运行过程中发生“阻塞”（如等待信号量、延时等）→ 主动让出 CPU
  • 任务轮转到 Task3 执行
  • Task3 执行期间出现 NVIC 硬件中断 → 中断打断 Task3
  • 中断服务完成后，系统恢复 Task3 继续执行（如果未阻塞）
  • 时间片结束后系统自动切换到 Task1，然后再到 Task2

2.4.3 优先级管理

在 FreeRTOS 中，每个任务都拥有一个“优先级”属性，范围通常为 0 ~ configMAX_PRIORITIES - 1，值越大，优先级越高。

此外，硬件中断是可以随时打断系统任务。

2.5 任务状态

FreeRTOS中任务共存在4种状态：

1、运行态：正在执行的任务，该任务就处于运行态，注意在STM32中，同一时间仅一个任务处于运行态
2、就绪态：如果该任务已经能够被执行，但当前还未被执行，那么该任务处于就绪态
3、阻塞态：如果一个任务因延时或等待外部事件发生，那么这个任务就处于阻塞态
4、挂起态：类似暂停，调用函数 vTaskSuspend() 进入挂起态，需要调用解挂函数vTaskResume()
才可以进入就绪态

2.5.1 状态切换

2.5.2 状态列表

这四种状态中，除了运行态，其他三种任务状态的任务都有其对应的任务状态列表

就绪列表：pxReadyTasksLists[x]，其中x代表任务优先级数值
阻塞列表：pxDelayedTaskList
挂起列表：xSuspendedTaskList

在32位的硬件中，会保存一个32位的变量，代表0-31的优先级。当某个位，置一时，代表所对应的优先级就绪列表有任务存在。

结构如下图：

2.6 上下文切换

2.7 空闲任务

2.8 钩子函数