FreeRTOS學習筆記 | 基礎知識體系梳理

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

1. 任務堆棧

2. 任務狀態(tài)

3. 任務優(yōu)先級

4. 任務調(diào)度

5. 臨界區(qū)、鎖與系統(tǒng)時間

• 1.1 任務棧大小確定

  1.2 棧溢出檢測機制

  3.1任務優(yōu)先級說明

  3.2 任務優(yōu)先級分配方案

  3.3 任務優(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)與開關中斷

  5.2 鎖

  5.3 FreeRTOS 系統(tǒng)時鐘節(jié)拍和時間管理

一、 單任務系統(tǒng)（裸機）

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

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

采用中斷和查詢結(jié)合的方式可以解決大部分裸機應用，但隨著工程的復雜，裸機方式的缺點就暴露出來了：

二、多任務系統(tǒng)（帶OS）

采用多任務系統(tǒng)可以以上的裸機開發(fā)遇到的4大缺點。

RTOS的實現(xiàn)重點就在這個OS任務調(diào)度器上，調(diào)度器的作用就是使用相關的調(diào)度算法來決定當前需要執(zhí)行的任務。

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

1. 任務堆棧

棧大小 0x400 = 1024,單位字節(jié)。在RTOS下，上面截圖里設置的棧大小有了一個新名字叫做系統(tǒng)棧空間，而任務棧是不使用這里的空間,哪里使用這里的棧空間呢，實際上是中斷函數(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 進程堆棧指針，或者叫 PSP 任務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 程堆棧指針 PSP 是給任務棧使用的。也就是說，在 FreeRTOS 任務中，所有?？臻g的使用都是通過 PSP 指針進行指向的。一旦進入了中斷函數(shù)以及可能發(fā)生的中斷嵌套都是用的 MSP 指針。這個知識 點要記住它，當前可以不知道這是為什么，但是一定要記住。

實際應用中系統(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 進行考慮，所有的寄存器都需要入棧，此時分為兩種情況：

64 字節(jié)：對于 Cortex-M3 內(nèi)核和未使用 FPU（浮點運算單元）功能的 Cortex-M4 內(nèi)核在發(fā)生中斷時需要將 16 個通用寄存器全部入棧，每個寄存器占用 4 個字節(jié)，也就是 16*4 = 64 字節(jié)的空間。可能發(fā)生幾次中斷嵌套就是要 64 乘以幾即可。當然，這種是最壞執(zhí)行情況，也就是所有的寄存器都入棧。（注：任務執(zhí)行的過程中發(fā)生中斷的話，有 8 個寄存器是自動入棧的，這個棧是任務棧，進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（浮點運算單元）功能的 Cortex-M4 內(nèi)核，如果在任務中進行了浮點運算，那么在發(fā)生中斷的時候除了 16 個通用寄存器需要入棧，還有 34 個浮點寄存器也是要入棧的，也就是(16+34)*4 = 200 字節(jié)的空間。當然，這種是最壞執(zhí)行情況，也就是所有的寄存器都入棧。

1.1 任務棧大小確定

1.2 棧溢出檢測機制

棧生長方向從高地址向低地址生長（M4 和 M3 是這種方式）

上圖標識 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)且這部分越界的棧空間暫時沒有用到或者數(shù)據(jù)不是很重要，情況還不算嚴重，但是如果存儲的是關鍵數(shù)據(jù)，會直接導致系統(tǒng)崩潰。

上圖標識 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 個數(shù)組元素）*4 =48 個字節(jié)。

上圖標識 5 的位置可能是其它任務的?？臻g，也可能是全局變量或者其它用途的存儲區(qū)，如果 test函數(shù)在使用中還有用到棧的地方就會從這里申請，這部分越界的空間暫時沒有用到或者數(shù)據(jù)不是很重要，情況還不算嚴重，但是如果存儲的是關鍵數(shù)據(jù)，會直接導致系統(tǒng)崩潰。

FreeRTOS 提供了兩種棧溢出檢測機制，這兩種檢測都是在任務切換時才會進行：

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制，還有其它的棧溢出檢測機制，大家可以在 Mircrium 官方發(fā)布的如下這個博文中學習：https://www.micrium.com/detecting-stack-overflows-part-2-of-2/

2. 任務狀態(tài)

FreeRTOS的任務狀態(tài)（4種）：1.運行態(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.中斷服務狀態(tài) 5.執(zhí)行狀態(tài)

當任務處于實際運行狀態(tài)被稱之為運行態(tài)，即 CPU 的使用權被這個任務占用。

處于就緒態(tài)的任務是指那些能夠運行（沒有被阻塞和掛起），但是當前沒有運行的任務，因為同優(yōu)先 級或更高優(yōu)先級的任務正在運行。

由于等待信號量，消息隊列，事件標志組等而處于的狀態(tài)被稱之為阻塞態(tài)，另外任務調(diào)用延遲函數(shù)也 會處于阻塞態(tài)。

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

3. 任務優(yōu)先級

3.1任務優(yōu)先級說明

3.2 任務優(yōu)先級分配方案

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

3.3 任務優(yōu)先級與終端優(yōu)先級的區(qū)別

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

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的任務優(yōu)先級是，任務優(yōu)先級數(shù)值越小，任務優(yōu)先級越低。

4. 任務調(diào)度

FreeRTOS就是一款支持多任務運行的實時操作系統(tǒng)，具有時間片、搶占式和合作式三種調(diào)度方式。

4.1 調(diào)度器

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

嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心就是調(diào)度器和任務切換，調(diào)度器的核心就是調(diào)度算法。任務切換的實現(xiàn)在不同的嵌 入式實時操作系統(tǒng)中區(qū)別不大，基本相同的硬件內(nèi)核架構，任務切換也是相似的。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)先級的任務一旦就緒，總能得到 CPU 的控制權。比如，當一個運行著的任務被其它高優(yōu)先級的任務搶占，當前任務的 CPU 使用權就被剝奪了，或者說被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務立刻得到了 CPU 的控制權并運行。又比如，如果中斷服務程序使一個高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)，中斷完成時，被中斷的低優(yōu)先級任務被掛起，優(yōu)先級高的那個任務開始運行。使用搶占式調(diào)度器，使得最高優(yōu)先級的任務什么時候可以得到 CPU 的控制權并運行是可知的，同時使得任務級響應時間得以最優(yōu)化。

總的來說，學習搶占式調(diào)度要掌握的最關鍵一點是：每個任務都被分配了不同的優(yōu)先級，搶占式調(diào)度器會獲得就緒列表中優(yōu)先級最高的任務，并運行這個任務。

在 FreeRTOS 的配置文件 FreeRTOSConfig.h 中禁止使用時間片調(diào)度，那么每個任務必須配置不同的優(yōu)先級。當 FreeRTOS 多任務啟動執(zhí)行后，基本會按照如下的方式去執(zhí)行：

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

Task2 會一直運行直到遇到系統(tǒng)阻塞式的 API 函數(shù)，比如延遲，事件標志等待，信號量等待，Task2任務會被掛起，繼而執(zhí)行就緒列表中下一個最高優(yōu)先級的任務。

4.1.2 時間片調(diào)度器

在小型的嵌入式 RTOS 中，最常用的的時間片調(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中。另外，時間片調(diào)度適合用于不要求任務實時響應的情況。

實現(xiàn) Round-robin 調(diào)度算法需要給同優(yōu)先級的任務分配一個專門的列表，用于記錄當前就緒的任務，并為每個任務分配一個時間片（也就是需要運行的時間長度，時間片用完了就進行任務切換）。

在 FreeRTOS 操作系統(tǒng)中只有同優(yōu)先級任務才會使用時間片調(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 文件中再單獨使能。示例：

5. 臨界區(qū)、鎖與系統(tǒng)時間

5.1 臨界區(qū)與開關中斷

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，在進入臨界區(qū)之前須關中斷，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， 臨界段雖然保護了關鍵代碼的執(zhí)行不被打斷， 但也會影響系統(tǒng)的實時性。比如此時某個任務正在調(diào)用系統(tǒng) API 函數(shù)，而且此時中斷正好關閉了，也就是進入到了臨界區(qū)中，這個時候如果有一個緊急的中斷事件被觸發(fā)，這個中斷就不能得到及時執(zhí)行，必須等到中斷開啟才可以得到執(zhí)行， 如果關中斷時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，用戶寫應用的時候也有臨界段的問題，比如以下兩種：

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

函數(shù)內(nèi)部無整個軟件生命周期的變量（靜態(tài)變量）

未引用或者訪問整個軟件生命周期的變量（全局變量）

FreeRTOS 任務代碼中臨界段的進入和退出主要是通過操作寄存器 basepri 實現(xiàn)的。進入臨界段前操作寄存器 basepri 關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被中斷干擾到，而且實現(xiàn)任務切換功能的 PendSV 中斷和滴答定時器中斷是最低優(yōu)先級中斷，所以此任務在執(zhí)行臨界段代碼期間是不會被其它高優(yōu)先級任務打斷的。退出臨界段時重新操作 basepri 寄存器，即打開被關閉的中斷（這里我們不考慮不受 FreeRTOS 管理的更高優(yōu)先級中斷）。

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

5.2 鎖

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

簡單的說，為了防止當前任務的執(zhí)行被其它高優(yōu)先級的任務打斷而提供的鎖機制就是任務鎖。

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

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

5.3 FreeRTOS 系統(tǒng)時鐘節(jié)拍和時間管理

5.3.1 FreeRTOS 時鐘節(jié)拍

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

5.3.2 FreeRTOS 時間管理

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

FreeRTOS 中的時間延遲函數(shù)主要有以下兩個作用：

為周期性執(zhí)行的任務提供延遲。

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

通過如下的框圖來說明一下延遲函數(shù)對任務運行狀態(tài)的影響，有一個形象的認識。

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