FreeRTOS-STM32操作系統(tǒng)

在單片機的Helloworld程序中(讓LED實現(xiàn)閃爍)的過程中，常常用到了延時，在這個延時過程中CPU相當(dāng)于什么事情都沒干，當(dāng)然這只是個實現(xiàn)電平翻轉(zhuǎn)的簡單任務(wù)。但是一旦任務(wù)增多后CPU的算力就大打折扣，因為在延遲的過程中，CPU這個“勞動者”在等待時間消息，幾乎不再工作，這就需要一種方法去最大化“壓榨”CPU的算力，使得CPU全時間滿負荷運行。

嵌入式設(shè)備一般分為以下幾種：

裸機系統(tǒng)、輪詢系統(tǒng)、前后臺系統(tǒng)、多任務(wù)系統(tǒng) 。輪詢系統(tǒng)就是一個主程序中不斷運行無限循環(huán)里邊的程序內(nèi)容；前后臺系統(tǒng)就是在輪詢系統(tǒng)中加入了中斷，中斷事件的處理是在中斷函數(shù)進行處理的，中斷是前臺，主程序是后臺；多任務(wù)系統(tǒng)是事件的中斷處理在主函數(shù)，中斷函數(shù)負責(zé)傳遞中斷標(biāo)志位。

不同系統(tǒng)模型的對比如下圖：

常見的操作系統(tǒng)如下：常用的 RTOS 有國外的 FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國內(nèi)的 FreeRTOS、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中尤以國外開源且免費的FreeRTOS 的市場占有率最高。操作系統(tǒng)其實就是把硬件資源虛擬化，把單核處理虛擬成“多核”提高“并發(fā)”感。這種思想非常重要，類似的有虛擬機，還有當(dāng)下大量應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的Docker技術(shù)。

對于單核ARM單片機來說，要達到兩個進程任務(wù)的幾乎同步態(tài)，那是不可能的，所以對于多任務(wù)系統(tǒng)，要限制每個任務(wù)的運行時間，所以就需要分時切片處理，如下圖，運行兩個任務(wù)進程，每個任務(wù)進程的運行時間所占據(jù)的時間片一樣的，只要時間片劃分足夠小，例如在毫秒級別上進行任務(wù)切換可以滿足大部分系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需求。時間片上運行過程如下圖 運行結(jié)果如下下圖：

TWO

在操作系統(tǒng)，每一個要執(zhí)行的任務(wù)，也就是一段程序的運行過程被稱為一個 進程 。進程包含著動態(tài)的概念，它是一個程序的運行過程，而不是一個靜態(tài)的程序。進程體現(xiàn)在程序中形式實際上就是一段循環(huán)執(zhí)行的代碼，使用操作系統(tǒng)的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)創(chuàng)建了這個進程之后，操作系統(tǒng)就自動找到這段代碼并執(zhí)行。一段程序執(zhí)行時，一般劃分成三個階段，開始執(zhí)行--->執(zhí)行中--->執(zhí)行完成。這也恰好對應(yīng)了進程的工作狀態(tài)： 就緒態(tài) （Ready）---> 運行態(tài) （Running---> 終止態(tài) （Blocked）。如果在一個進程執(zhí)行的過程中，調(diào)用了將進程掛起的功能函數(shù)，或者是進程執(zhí)行時有更高優(yōu)先級的 任務(wù)就緒了，則進程會進入 掛起狀態(tài) （Suspended）。容易把阻塞態(tài)與掛起態(tài)相混，我的理解是處于阻塞態(tài)的時候進程在等待一個信號條件滿足后繼續(xù)運行，該信號條件可以是中斷可以是信號量等等。而處于掛起態(tài)的時候該程序根本沒運行，就像一個人被掛起，那他根本不可能完成任何任務(wù)。

由于使用時間切片引起任務(wù)進程的暫停容易導(dǎo)致正在處理的數(shù)據(jù)丟失，所以操作系統(tǒng)需要給每個任務(wù)進程分配一個內(nèi)存，存儲上個時間片尚未處理的任務(wù)數(shù)據(jù)。

同時任務(wù)進程的工作并不是完全獨立的而是互相交替訪問的，各個進程的通信也需要容易導(dǎo)致對某個變量的的訪問極易出現(xiàn)沖突，所以需要一個信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)- 存儲隊列 。該消息隊列既能寫入數(shù)據(jù)也能讀取數(shù)據(jù)，消息隊列對象一般以全局變量進行聲明。消息緩存空間采用先進先出FIFO方式進行存儲，實現(xiàn)效果如下圖。

有限的硬件資源可能會被多個進程同時訪問，并且有的進程對被控制實體的作用是相反的，極短時間內(nèi)互斥任務(wù)進程的切換極易使得被控對象產(chǎn)生震蕩，所以需要對互斥進程做一個規(guī)約，這個規(guī)約的實現(xiàn)就是信號量，F(xiàn)reeRTOS中可以實現(xiàn)任務(wù)之間同步或臨界資源的互斥訪問，常用于協(xié)助一組相互競爭的任務(wù)來訪問臨界資源。也可以用作進程順序執(zhí)行或者同步運行的保證。

具體來說信號量是一個非負整數(shù)，由臨界資源釋放，當(dāng)信號量為0時，剩余任務(wù)進程失去資源訪問的機會，只有當(dāng)另一個任務(wù)停止訪問臨界資源時，才會釋放出信號量。采用信號量的實現(xiàn)過程如下圖所示。

單片機開發(fā)中用的最多就是二值信號量了，可以理解為一個位0和1，也可以理解為true或false如下圖為二值信號量的實現(xiàn)過程。訪問的任務(wù)進程只能有一個，所以就能避免訪問資源引起的競爭與及規(guī)避控制效果的互斥。

在一個復(fù)雜控制系統(tǒng)中一個控制量常常需要多種事件的出現(xiàn)才能觸發(fā)，事件的發(fā)生與消失用1和0來表示。多事件的狀態(tài)可以通過FreeRTOS中的事件庫進行事件狀態(tài)的統(tǒng)一管理，F(xiàn)reeRTOS中一個事件組為32位，可通過配置文件修改其長度。

以32位為例其中高九位不可用，一個位代表一個事件，例如0x00000092就表示，因為0x00001188轉(zhuǎn)換為二進制0b 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 0010，然后通過查詢事件句柄查詢對應(yīng)事件的發(fā)生與否。

THREE

要看懂FreeRTOS源碼了解其原理，那么必須要學(xué)會c語言中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--- 鏈表結(jié)構(gòu) ，鏈表的源文件在list.c文件中，一般分為單向鏈表和雙向鏈表，單向鏈表有頭尾之分，雙向鏈表則構(gòu)成了一個環(huán)，分別指針分別指向上個鏈表節(jié)點地址和下個鏈表節(jié)點地址。

鏈表的節(jié)點成員以及成員作用如下圖所示：

可以看出鏈表本身就不包含大量數(shù)據(jù)的存儲，鏈表是一個動態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將不連續(xù)的離散的硬件地址通過鏈表映射形成虛擬的連續(xù)存儲地址，面試中也常常問到鏈表和數(shù)組的區(qū)別，數(shù)組是開辟了一個連續(xù)的存儲地址，位置固定。

用最基礎(chǔ)的部分的理解就到此結(jié)束，當(dāng)然考慮到不同任務(wù)進程的優(yōu)先級以及不同任務(wù)執(zhí)行的時間長短，和kernel等事件的觸發(fā)中斷，因此FreeRTOS有著更為復(fù)雜的調(diào)度機制，比如本文開頭提到的時間片輪轉(zhuǎn)法，在考慮到任務(wù)優(yōu)先級的時候，該算法根本不能保證高優(yōu)先級的進程任務(wù)的執(zhí)行，而且不同任務(wù)在排隊列表中順序各有差異。排隊靠前的低優(yōu)先級任務(wù)和排隊較后的高優(yōu)先級任務(wù)怎么取舍等一系列的問題。當(dāng)然可以明確的是本系統(tǒng)的調(diào)度是由“ 先來先服務(wù)（FCFS） ”調(diào)度算法，“ 優(yōu)先級 ”調(diào)度算法，“ 時間片輪轉(zhuǎn) ”調(diào)度算法三種算法共同作用的。而且還可以通過設(shè)置宏configUSE_PREEMPTION來定義是采用搶占式還是合作式操作系統(tǒng)（說太多了不解釋了.....）。

其實把用起來就知道操作系統(tǒng)的一個重要工作就是執(zhí)行各個進程的狀態(tài)切換，因為實際上單片機每次只能運行一個進程，而操作系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)墓芾恚屆恳粋€進程都可以得到及時的響應(yīng)，讓多個進程呈現(xiàn)出一種同時運行的“并發(fā)”感，和一根信號上傳輸多種信號的思想是一致的都是分時處理，但是速度肯定不及兩根信號線分別傳輸兩種信號。

現(xiàn)在的嵌入式入門門檻已經(jīng)很低，原有的STM32固件庫官方不在更新，使用CubeMX生成的HAL庫正在逐漸替代原有的固件庫，大大降低開發(fā)門檻提高開發(fā)效率。當(dāng)然熟悉板子上的常用的寄存器會讓你得心應(yīng)手。

項目中關(guān)于RTOS問題的記錄:

（1）FreeRTOS一定要配置好系統(tǒng)時鐘，給予一個單獨的硬件時鐘源作為系統(tǒng)時鐘。否則時間片的長度為無限大..程序只運行第一次進入的進程任務(wù)。

（2）隊列的大小要設(shè)置得當(dāng)，否則容易內(nèi)存溢出，數(shù)據(jù)后移亂碼等情況。

（3）中斷中對事件組的操作一律使用....FromISR。

（4）任務(wù)進程中的延遲要使用操作系統(tǒng)中提供的延遲函數(shù)。

（5）應(yīng)用操作系統(tǒng)是讓CPU算力最大化，所以盡量使用官方提供的外設(shè)，GPIO口的通信盡量不要選擇模擬協(xié)議自行編程，因為中間需要加入非操作系統(tǒng)的微秒級延遲，降低了CPU的使用效率。

（6）在通信隊列操作中，讀取完畢應(yīng)將通信隊列清空。

（7）單片機硬件系統(tǒng)會產(chǎn)生各式各樣的中斷，而FreeRTOS可以幫助你去對管理中斷，由于STM32的內(nèi)核中斷優(yōu)先級過高，所以規(guī)定FreeRTOS能使用的中斷級別大于4.