建站
咨詢
售后
建站咨詢
新聞中心
嵌入式系統(tǒng)不只是ARM+Linux，不是只有安卓，凡是電子產(chǎn)品都可稱為嵌入式系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，也提升了FreeRTOS市場(chǎng)占有率。本文就是介紹FreeRTOS基礎(chǔ)及其應(yīng)用，只是個(gè)人整理，可能存在問(wèn)題，其目的只是簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只能作為入門資料。
目錄
- 一、 為什么要學(xué)習(xí)RTOS
- 二、 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)
- 三、 初識(shí) FreeRTOS
- 四、 任務(wù)
- 五、 隊(duì)列
- 六、 軟件定時(shí)器
- 七、 信號(hào)量
- 八、 事件
- 九、 任務(wù)通知
- 十、 內(nèi)存管理
- 十一、 通用接口
一、 為什么要學(xué)習(xí) RTOS
進(jìn)入嵌入式這個(gè)領(lǐng)域，入門首先接觸的是單片機(jī)編程，尤其是C51 單片機(jī)來(lái)，基礎(chǔ)的單片機(jī)編程通常都是指裸機(jī)編程，即不加入任何 RTOS(Real Time Operating System 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))。常用的有國(guó)外的FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國(guó)內(nèi)的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中開(kāi)源且免費(fèi)的 FreeRTOS 的市場(chǎng)占有率較高。
1.1 前后臺(tái)系統(tǒng)
在裸機(jī)系統(tǒng)中，所有的操作都是在一個(gè)無(wú)限的大循環(huán)里面實(shí)現(xiàn),支持中斷檢測(cè)。外部中斷緊急事件在中斷里面標(biāo)記或者響應(yīng)，中斷服務(wù)稱為前臺(tái)，main 函數(shù)里面的while(1)無(wú)限循環(huán)稱為后臺(tái)，按順序處理業(yè)務(wù)功能，以及中斷標(biāo)記的可執(zhí)行的事件。小型的電子產(chǎn)品用的都是裸機(jī)系統(tǒng)，而且也能夠滿足需求。
1.2 多任務(wù)系統(tǒng)
多任務(wù)系統(tǒng)的事件響應(yīng)也是在中斷中完成的，但是事件的處理是在任務(wù)中完成的。如果事件對(duì)應(yīng)的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)足夠高，中斷對(duì)應(yīng)的事件會(huì)立刻執(zhí)行。相比前后臺(tái)系統(tǒng)，多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性又被提高了。
在多任務(wù)系統(tǒng)中，根據(jù)程序的功能，把這個(gè)程序主體分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的，無(wú)限循環(huán)且不能返回的子程序，稱之為任務(wù)。每個(gè)任務(wù)都是獨(dú)立的，互不干擾的，且具備自身的優(yōu)先級(jí)，它由操作系統(tǒng)調(diào)度管理。加入操作系統(tǒng)后，開(kāi)發(fā)人員不需要關(guān)注每個(gè)功能模塊之間的沖突，重心放在子程序的實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)隨之帶來(lái)的額外RAM開(kāi)銷，但對(duì)目前的單片機(jī)的來(lái)影響不大。
1.3 學(xué)習(xí)RTOS的意義
學(xué)習(xí) RTOS，一是項(xiàng)目需要，隨著產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越多，單純的裸機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不能完美地解決問(wèn)題，反而會(huì)使編程變得更加復(fù)雜，如果想降低編程的難度，就必須引入 RTOS實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理。二是技能需要，掌握操作系統(tǒng)，和基于RTOS的編程，實(shí)現(xiàn)更好的職業(yè)規(guī)劃，對(duì)個(gè)人發(fā)展尤其是錢途是必不可少的。
以前一直覺(jué)得學(xué)操作系統(tǒng)就必須是linux，實(shí)際每個(gè)系統(tǒng)都有其應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，殺雞焉用牛刀，小而美，且應(yīng)用廣泛的FreeRTOS 是首選。有一個(gè)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，即使后續(xù)基于其他系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，也可觸類旁通，對(duì)新技術(shù)快速入門。目前接觸的幾款芯片都是基于FreeRTOS。
如何學(xué)習(xí)RTOS?最簡(jiǎn)單的就是在別人移植好的系統(tǒng)之上，看看 RTOS 里面的 API 使用說(shuō)明，然后調(diào)用這些 API 實(shí)現(xiàn)自己想要的功能即可。完全不用關(guān)心底層的移植，這是最簡(jiǎn)單快速的入門方法。這種學(xué)習(xí)方式，如果是做產(chǎn)品，可以快速的實(shí)現(xiàn)功能，弊端是當(dāng)程序出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，如果對(duì)RTOS不夠了解，會(huì)導(dǎo)致調(diào)試?yán)щy，無(wú)從下手。
各種RTOS內(nèi)核實(shí)現(xiàn)方式都差不多，我們只需要深入學(xué)習(xí)其中一款就行。萬(wàn)變不離其宗，正如掌握了C51基礎(chǔ)，后續(xù)換其他型號(hào)或者更高級(jí)的ARM單片機(jī)，在原理和方法上，都是有借鑒意義，可以比較快的熟悉并掌握新單片機(jī)的使用。
二、 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)
2.1 鏈表
鏈表作為 C 語(yǔ)言中一種基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在平時(shí)寫(xiě)程序的時(shí)候用的并不多，但在操作系統(tǒng)里面使用的非常多。FreeRTOS 中存在著大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表和鏈表項(xiàng)的操作(list 和 list item)。FreeRTOS 中與鏈表相關(guān)的操作均在 list.h 和 list.c 這兩個(gè)文件中實(shí)現(xiàn)。
鏈表比數(shù)組，最大優(yōu)勢(shì)是占用的內(nèi)存空間可以隨著需求擴(kuò)大或縮小，動(dòng)態(tài)調(diào)整。實(shí)際FreeRTOS中各種任務(wù)的記錄都是依靠鏈表動(dòng)態(tài)管理，具體的可以參考源碼的任務(wù)控制塊tskTCB。任務(wù)切換狀態(tài)，就是將對(duì)應(yīng)的鏈表進(jìn)行操作，鏈表操作涉及創(chuàng)建和插入、刪除和查找。
2.2 隊(duì)列
隊(duì)列是一種只允許在表的前端(front)進(jìn)行刪除操作，而在表的后端(rear)進(jìn)行插入操作。隊(duì)尾放入數(shù)據(jù)，對(duì)頭擠出。先進(jìn)先出，稱為FIFO
2.3 任務(wù)
在裸機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的主體就是 main 函數(shù)里面順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)，這個(gè)無(wú)限循環(huán)里面 CPU 按照順序完成各種事情。在多任務(wù)系統(tǒng)中，根據(jù)功能的不同，把整個(gè)系統(tǒng)分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的且無(wú)法返回的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)我們稱為任務(wù)。系統(tǒng)中的每一任務(wù)都有多種運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)初始化完成后，創(chuàng)建的任務(wù)就可以在系統(tǒng)中競(jìng)爭(zhēng)一定的資源，由內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度。
- ? 就緒(Ready)：該任務(wù)在就緒列表中，就緒的任務(wù)已經(jīng)具備執(zhí)行的能力，只等待調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度，新創(chuàng)建的任務(wù)會(huì)初始化為就緒態(tài)。
- ? 運(yùn)行(Running)：該狀態(tài)表明任務(wù)正在執(zhí)行，此時(shí)它占用處理器，調(diào)度器選擇運(yùn)行的永遠(yuǎn)是處于最高優(yōu)先級(jí)的就緒態(tài)任務(wù)。
- ? 阻塞(Blocked)：任務(wù)當(dāng)前正在等待某個(gè)事件，比如信號(hào)量或外部中斷。
- ? 掛起態(tài)(Suspended)：處于掛起態(tài)的任務(wù)對(duì)調(diào)度器而言是不可見(jiàn)的。
掛起態(tài)與阻塞態(tài)的區(qū)別，當(dāng)任務(wù)有較長(zhǎng)的時(shí)間不允許運(yùn)行的時(shí)候，我們可以掛起任務(wù)，這樣子調(diào)度器就不會(huì)管這個(gè)任務(wù)的任何信息，直到調(diào)用恢復(fù)任務(wù)的 接口;而任務(wù)處于阻塞態(tài)的時(shí)候，系統(tǒng)還需要判斷阻塞態(tài)的任務(wù)是否超時(shí)，是否可以解除阻塞。
各任務(wù)運(yùn)行時(shí)使用消息、信號(hào)量等方式進(jìn)行通信，不能是全局變量。任務(wù)通常會(huì)運(yùn)行在一個(gè)死循環(huán)中，不會(huì)退出，如果不再需要，可以調(diào)用刪除任務(wù)。
2.4 臨界區(qū)
臨界區(qū)就是一段在執(zhí)行的時(shí)候不能被中斷的代碼段。在多任務(wù)操作系統(tǒng)里面，對(duì)全局變量的操作不能被打斷，不能執(zhí)行到一半就被其他任務(wù)再次操作。一般被打斷，原因就是系統(tǒng)調(diào)度或外部中斷。對(duì)臨界區(qū)的保護(hù)控制，歸根到底就是對(duì)系統(tǒng)中斷的使能控制。在使用臨界區(qū)時(shí)，關(guān)閉中斷響應(yīng)，對(duì)部分優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)行屏蔽，因此臨界區(qū)不允許運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行控制，就需要使用信號(hào)量通信，實(shí)現(xiàn)同步或互斥操作。
三、 初識(shí) FreeRTOS
3.1 FreeRTOS源碼
FreeRTOS 由美國(guó)的 Richard Barry 于 2003 年發(fā)布， 2018 年被亞馬遜收購(gòu)，改名為 AWS FreeRTOS，版本號(hào)升級(jí)為 V10，支持MIT開(kāi)源協(xié)議，亞馬遜收購(gòu) FreeRTOS 也是為了進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)和人工智能，新版本增加了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等功能。
FreeRTOS 是開(kāi)源免費(fèi)的，可從官網(wǎng) www.freertos.org 下載源碼和說(shuō)明手冊(cè)。例如展銳的UIS8910使用的是V10。以FreeRTOSv10.4.1為例，包含 Demo 例程，Source內(nèi)核的源碼，License許可文件。
3.1.1 Source 文件夾
FreeRTOS/ Source 文件夾下的文件：
包括FreeRTOS 的通用的頭文件include和 C 文件，包括任務(wù)、隊(duì)列、定時(shí)器等，適用于各種編譯器和處理器，是通用的。
需要特殊處理適配的在portblle文件夾，其下內(nèi)容與編譯器和處理器相關(guān)， FreeRTOS 要想運(yùn)行在一個(gè)單片機(jī)上面，它們就必須關(guān)聯(lián)在一起，通常由匯編和 C 聯(lián)合編寫(xiě)。通常難度比較高，不過(guò)一般芯片原廠提供移植好的接口文件。這里不介紹移植的方法，因?yàn)樽约阂膊幻靼住?/p>
Portblle/MemMang 文件夾下存放的是跟內(nèi)存管理相關(guān)的，總共有五個(gè) heap 文件，有5種內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配方式，一般物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品選用 heap4.c 。
3.1.2 Demo 文件夾
里面包含了 FreeRTOS 官方為各個(gè)單片機(jī)移植好的工程代碼，F(xiàn)reeRTOS 為了推廣自己，會(huì)給針對(duì)不同半導(dǎo)體廠商的評(píng)估板實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能范例， Demo下就是參考范例。
3.1.3 FreeRTOSConfig.h配置
FreeRTOSConfig.h頭文件對(duì)FreeRTOS 所需的功能的宏均做了定義，需要根據(jù)應(yīng)用情況配置合適的參數(shù)，其作用類似MTK功能機(jī)平臺(tái)的主mak文件，部分定義如下：
- #define configUSE_PREEMPTION 1
- #define configUSE_IDLE_HOOK 0
- #define configUSE_TICK_HOOK 0
- #define configCPU_CLOCK_HZ ( SystemCoreClock )
- #define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 1000 )
例如系統(tǒng)時(shí)鐘tick等參數(shù)在就這個(gè)文件配置，具體作用可以看注釋。一般情況下使用SDK不需要改動(dòng)，特殊情況下咨詢?cè)瓘S再調(diào)整。
3.2 FreeRTOS 編碼規(guī)范
接觸一個(gè)新平臺(tái)或者SDK，明白它的編碼規(guī)范，文件作用，可以提高源碼閱讀效率，快速熟悉其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
3.2.1 數(shù)據(jù)類型
FreeRTOS針對(duì)不同的處理器，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)C的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了重定義。
- #define portCHAR char
- #define portFLOAT float
- #define portDOUBLE double
- #define portLONG long
- #define portSHORT short
- #define portSTACK_TYPE uint32_t
- #define portBASE_TYPE long
應(yīng)用編碼中，推薦使用的是下面這種風(fēng)格。
- typedef int int32_t;
- typedef short int16_t;
- typedef char int8_t;
- typedef unsigned int uint32_t;
- typedef unsigned short uint16_t;
- typedef unsigned char uint8_t;
3.2.2 變量名
FreeRTOS 中，定義變量的時(shí)候往往會(huì)把變量的類型當(dāng)作前綴，好處看到就知道其類型。
char 型變量的前綴是 c
short 型變量的前綴是 s
long 型變量的前綴是 l
復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，句柄等定義的變量名的前綴是 x
變量是無(wú)符號(hào)型的再加前綴 u，是指針變量則加前綴 p
3.2.3 函數(shù)名
函數(shù)名包含了函數(shù)返回值的類型、函數(shù)所在的文件名和函數(shù)的功能，如果是私有的函數(shù)則會(huì)加一個(gè) prv(private)的前綴。
例如vTaskPrioritySet()函數(shù)的返回值為 void 型，在 task.c 這個(gè)文件中定義。
3.2.4 宏
宏內(nèi)容是由大寫(xiě)字母表示，前綴是小寫(xiě)字母，表示該宏在哪個(gè)頭文件定義，如：
- #define taskYIELD() portYIELD()
表示該宏是在task.h。
3.2.5 個(gè)人解讀
1、編碼不缺編碼規(guī)范，但是實(shí)際使用中很難完全依照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即使freeRTOS源碼也是如此。
2、關(guān)于函數(shù)或者宏定義中帶文件名的作用，使用Source Insight 編輯代碼，該前綴的意義不大。
3、規(guī)則是活的，只要所有人都按一個(gè)規(guī)則執(zhí)行，它就是標(biāo)準(zhǔn)。
3.3 FreeRTOS應(yīng)用開(kāi)發(fā)
關(guān)于freeRTOS的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，主要是任務(wù)的創(chuàng)建和調(diào)度，任務(wù)間的通信與同步，涉及隊(duì)列、信號(hào)量等操作系統(tǒng)通用接口。結(jié)合應(yīng)用需求，涉及定時(shí)器、延時(shí)、中斷控制等接口。
特別說(shuō)明，有些功能的實(shí)現(xiàn)方式有多種形式，只針對(duì)常用方式進(jìn)行說(shuō)明，例如task的創(chuàng)建，只說(shuō)明動(dòng)態(tài)創(chuàng)建方式，因?yàn)楹苌偈褂渺o態(tài)方式。
四、 任務(wù)
4.1 創(chuàng)建任務(wù)
xTaskCreate()使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存的方式創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。
- ret = xTaskCreate((TaskFunction_t) master_task_main, /* 任務(wù)入口函數(shù) */(1)
- “MASTER”, /* 任務(wù)名字 */(2)
- 64*1024, /* 任務(wù)棧大小 */(3)
- NULL, ,/* 任務(wù)入口函數(shù)參數(shù) */(4)
- TASK_PRIORITY_NORMAL, /* 任務(wù)的優(yōu)先級(jí) */(5)
- &task_master_handler); /* 任務(wù)控制塊指針 */(6)
創(chuàng)建任務(wù)就是軟件運(yùn)行時(shí)的一個(gè)while(1)的入口，一般閱讀其他代碼，找到這個(gè)函數(shù)，再跟蹤到任務(wù)入口函數(shù)，學(xué)習(xí)基于freeRTOS系統(tǒng)的代碼，首先就是找到main和這個(gè)接口。
(1)：任務(wù)入口函數(shù)，即任務(wù)函數(shù)的名稱，需要我們自己定義并且實(shí)現(xiàn)。
(2)：任務(wù)名字，字符串形式，最大長(zhǎng)度由 FreeRTOSConfig.h 中定義的 configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分會(huì)被自動(dòng)截掉，只是方便調(diào)試。
(3)：任務(wù)堆棧大小，單位為字， 4 個(gè)字節(jié)，這個(gè)要注意，否則系統(tǒng)內(nèi)存緊缺。
(4)：任務(wù)入口函數(shù)形參，不用的時(shí)候配置為 0 或者NULL 即可。
(5) ：任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，在 FreeRTOS 中，數(shù)值越大優(yōu)先級(jí)越高，0 代表最低優(yōu)先級(jí)。基于其SDK開(kāi)發(fā)，可將自定義的所有業(yè)務(wù)功能task設(shè)為同一個(gè)優(yōu)先級(jí)，按時(shí)間片輪詢調(diào)度。
(6)：任務(wù)控制塊指針，使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存的時(shí)候，任務(wù)創(chuàng)建函數(shù) xTaskCreate()會(huì)返回一個(gè)指針指向任務(wù)控制塊，也可以設(shè)為NULL，因?yàn)槿蝿?wù)句柄后期可以不使用。
4.2 開(kāi)啟調(diào)度
當(dāng)任務(wù)創(chuàng)建成功后處于就緒狀態(tài)(Ready)，在就緒態(tài)的任務(wù)可以參與操作系統(tǒng)的調(diào)度。操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器只啟動(dòng)一次，之后就不會(huì)再次執(zhí)行了，F(xiàn)reeRTOS 中啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器的函數(shù)是 vTaskStartScheduler()，并且啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器的時(shí)候就不會(huì)返回，從此任務(wù)管理都由FreeRTOS 管理，此時(shí)才是真正進(jìn)入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的第一步。
vTaskStartScheduler開(kāi)啟調(diào)度時(shí)，順便會(huì)創(chuàng)建空閑任務(wù)和定時(shí)器任務(wù)。
FreeRTOS 為了任務(wù)啟動(dòng)和任務(wù)切換使用了三個(gè)異常：SVC、PendSV 和SysTick。
SVC(系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用，亦簡(jiǎn)稱系統(tǒng)調(diào)用)用于任務(wù)啟動(dòng)。
PendSV(可掛起系統(tǒng)調(diào)用)用于完成任務(wù)切換，它是可以像普通的中斷一樣被掛起的，它的最大特性是如果當(dāng)前有優(yōu)先級(jí)比它高的中斷在運(yùn)行，PendSV會(huì)延遲執(zhí)行，直到高優(yōu)先級(jí)中斷執(zhí)行完畢，這樣產(chǎn)生的PendSV 中斷就不會(huì)打斷其他中斷的運(yùn)行。
SysTick 用于產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘，提供一個(gè)時(shí)間片，如果多個(gè)任務(wù)共享同一個(gè)優(yōu)先級(jí)，則每次 SysTick 中斷，下一個(gè)任務(wù)將獲得一個(gè)時(shí)間片。
FreeRTOS 中的任務(wù)是搶占式調(diào)度機(jī)制，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可打斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞或結(jié)束后才能得到調(diào)度。相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式進(jìn)行調(diào)度(也就是分時(shí)調(diào)度)，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度僅在當(dāng)前系統(tǒng)中無(wú)更高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)存在的情況下才有效。
4.3 啟動(dòng)方式
FreeRTOS有兩種啟動(dòng)方式，效果一樣，看個(gè)人喜好。
第一種：main 函數(shù)中將硬件初始化， RTOS 系統(tǒng)初始化，所有任務(wù)的創(chuàng)建完成，最后一步開(kāi)啟調(diào)度。目前看到的幾個(gè)芯片SDK都是這種方式。
第二種：main 函數(shù)中將硬件和 RTOS 系統(tǒng)先初始化好，只創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)后就啟動(dòng)調(diào)度器，然后在這個(gè)任務(wù)里面創(chuàng)建其它應(yīng)用任務(wù)，當(dāng)所有任務(wù)都創(chuàng)建成功后，啟動(dòng)任務(wù)再把自己刪除。
4.4 任務(wù)創(chuàng)建源碼分析
xTaskCreate()創(chuàng)建任務(wù)。
- BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
- const char * const pcName, /*lint !e971 Unqualified char types are allowed for strings and single characters only. */
- const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
- void * const pvParameters,
- UBaseType_t uxPriority,
- TaskHandle_t * const pxCreatedTask )
- {
- TCB_t * pxNewTCB;
- BaseType_t xReturn;
- /* If the stack grows down then allocate the stack then the TCB so the stack
- * does not grow into the TCB. Likewise if the stack grows up then allocate
- * the TCB then the stack. */
- #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
- {
- /**/
- }
- #else /* portSTACK_GROWTH */
- {
- StackType_t * pxStack;
- /* Allocate space for the stack used by the task being created. */
- pxStack = pvPortMalloc( ( ( ( size_t ) usStackDepth ) * sizeof( StackType_t ) ) ); /*lint !e9079 All values returned by pvPortMalloc() have at least the alignment required by the MCU's stack and this allocation is the stack. */
- if( pxStack != NULL )
- {
- /* Allocate space for the TCB. */
- pxNewTCB = ( TCB_t * ) pvPortMalloc( sizeof( TCB_t ) ); /*lint !e9087 !e9079 All values returned by pvPortMalloc() have at least the alignment required by the MCU's stack, and the first member of TCB_t is always a pointer to the task's stack. */
- if( pxNewTCB != NULL )
- {
- /* Store the stack location in the TCB. */
- pxNewTCB->pxStack = pxStack;
- }
- else
- {
- /* The stack cannot be used as the TCB was not created. Free
- * it again. */
- vPortFree( pxStack );
- }
- }
- else
- {
- pxNewTCB = NULL;
- }
- }
- #endif /* portSTACK_GROWTH */
- if( pxNewTCB != NULL )
- {
- #if ( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 ) /*lint !e9029 !e731 Macro has been consolidated for readability reasons. */
- {
- /* Tasks can be created statically or dynamically, so note this
- * task was created dynamically in case it is later deleted. */
- pxNewTCB->ucStaticallyAllocated = tskDYNAMICALLY_ALLOCATED_STACK_AND_TCB;
- }
- #endif /* tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE */
- prvInitialiseNewTask( pxTaskCode, pcName, ( uint32_t ) usStackDepth, pvParameters, uxPriority, pxCreatedTask, pxNewTCB, NULL );
- prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB ); //將新任務(wù)加入到就緒鏈表候著
- xReturn = pdPASS;
- }
- else
- {
- xReturn = errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY;
- }
- return xReturn;
- }
申請(qǐng)任務(wù)控制塊內(nèi)存，檢查配置參數(shù)，初始化，將任務(wù)信息加入到就緒鏈表，等待調(diào)度。前面鏈表部分提到，freeRTOS的任務(wù)信息都是使用鏈表記錄，在task.c有
- PRIVILEGED_DATA static List_t pxReadyTasksLists[configMAX_PRIORITIES];//就緒
- PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1; //延時(shí)
- PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;
- PRIVILEGED_DATA static List_t xPendingReadyList; //掛起
- PRIVILEGED_DATA static List_t xSuspendedTaskList; //阻塞
分別記錄就緒態(tài)、阻塞態(tài)和掛起的任務(wù)，其中阻塞態(tài)有2個(gè)，是因?yàn)樘厥饪紤]，時(shí)間溢出 的問(wèn)題，實(shí)際開(kāi)發(fā)單片機(jī)項(xiàng)目計(jì)時(shí)超過(guò)24h的可以借鑒。其中pxReadyTasksLists鏈表數(shù)組，其下標(biāo)就是任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。
4.5 任務(wù)調(diào)度源碼分析
創(chuàng)建完任務(wù)的時(shí)候，vTaskStartScheduler開(kāi)啟調(diào)度器，空閑任務(wù)、定時(shí)器任務(wù)也是在開(kāi)啟調(diào)度函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的。
為什么要空閑任務(wù)?因?yàn)?FreeRTOS一旦啟動(dòng)，就必須要保證系統(tǒng)中每時(shí)每刻都有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)(Runing)，并且空閑任務(wù)不可以被掛起與刪除，空閑任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是最低的，以便系統(tǒng)中其他任務(wù)能隨時(shí)搶占空閑任務(wù)的 CPU 使用權(quán)。這些都是系統(tǒng)必要的東西，也無(wú)需自己實(shí)現(xiàn)。
- void vTaskStartScheduler( void )
- {
- BaseType_t xReturn;
- /* Add the idle task at the lowest priority. */
- #if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
- {
- /***/
- }
- #else /* if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) */
- {
- /*創(chuàng)建空閑任務(wù)*/
- xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,
- configIDLE_TASK_NAME,
- configMINIMAL_STACK_SIZE,
- ( void * ) NULL,
- portPRIVILEGE_BIT, //優(yōu)先級(jí)為0
- &xIdleTaskHandle );
- }
- #endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
- #if ( configUSE_TIMERS == 1 )
- {
- if( xReturn == pdPASS )
- {
- //創(chuàng)建定時(shí)器task，接收開(kāi)始、結(jié)束定時(shí)器等命令
- xReturn = xTimerCreateTimerTask();
- }
- else
- {
- mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
- }
- }
- #endif /* configUSE_TIMERS */
- if( xReturn == pdPASS )
- {
- /* freertos_tasks_c_additions_init() should only be called if the user
- * definable macro FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT() is defined, as that is
- * the only macro called by the function. */
- #ifdef FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT
- {
- freertos_tasks_c_additions_init();
- }
- #endif
- portDISABLE_INTERRUPTS();
- #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
- {
- _impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );
- }
- #endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */
- xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
- xSchedulerRunning = pdTRUE;
- xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;
- portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
- traceTASK_SWITCHED_IN();
- /* Setting up the timer tick is hardware specific and thus in the
- * portable interface. */
- if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
- {
- /* 系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行 */
- }
- else
- {
- /* Should only reach here if a task calls xTaskEndScheduler(). */
- }
- }
- else
- {
- /*****/
- }
4.6 任務(wù)狀態(tài)切換
FreeRTOS 系統(tǒng)中的每一個(gè)任務(wù)都有多種運(yùn)行狀態(tài)，具體如下：
任務(wù)掛起函數(shù)
- vTaskSuspend()
掛起指定任務(wù)，被掛起的任務(wù)絕不會(huì)得到 CPU 的使用權(quán)
- vTaskSuspendAll()
將所有的任務(wù)都掛起 ? 任務(wù)恢復(fù)函數(shù)
- vTaskResume()
- vTaskResume()
- xTaskResumeFromISR()
任務(wù)恢復(fù)就是讓掛起的任務(wù)重新進(jìn)入就緒狀態(tài)，恢復(fù)的任務(wù)會(huì)保留掛起前的狀態(tài)信息，在恢復(fù)的時(shí)候根據(jù)掛起時(shí)的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。xTaskResumeFromISR() 專門用在中斷服務(wù)程序中。無(wú)論通過(guò)調(diào)用一次或多次vTaskSuspend()函數(shù)而被掛起的任務(wù)，也只需調(diào)用一次恢復(fù)即可解掛 。
? 任務(wù)刪除函數(shù) vTaskDelete()用于刪除任務(wù)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)可以刪除另外一個(gè)任務(wù)，形參為要?jiǎng)h除任 務(wù)創(chuàng)建時(shí)返回的任務(wù)句柄，如果是刪除自身， 則形參為 NULL。
4.7 任務(wù)使用注意點(diǎn)
1、中斷服務(wù)函數(shù)是不允許調(diào)用任何會(huì)阻塞運(yùn)行的接口。一般在中斷服務(wù)函數(shù)中只做標(biāo)記事件的發(fā)生，然后通知任務(wù)，讓對(duì)應(yīng)任務(wù)去執(zhí)行相關(guān)處理 。
2、將緊急的處理事件的任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置偏高一些。
3、空閑任務(wù)(idle 任務(wù))是 FreeRTOS 系統(tǒng)中沒(méi)有其他工作進(jìn)行時(shí)自動(dòng)進(jìn)入的系統(tǒng)任務(wù)，永遠(yuǎn)不會(huì)掛起空閑任務(wù)，不應(yīng)該陷入死循環(huán)。
4、創(chuàng)建任務(wù)使用的內(nèi)存不要過(guò)多，按需申請(qǐng)。如果浪費(fèi)太多，后續(xù)應(yīng)用申請(qǐng)大空間可能提示內(nèi)存不足。
五、 隊(duì)列
5.1 隊(duì)列的概念
隊(duì)列用于任務(wù)間通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)消息隊(duì)列服務(wù)，任務(wù)或中斷服務(wù)將消息放入消息隊(duì)列中。其他任務(wù)或者自身從消息隊(duì)列中獲得消息。實(shí)現(xiàn)隊(duì)列可以在任務(wù)與任務(wù)間、中斷和任務(wù)間傳遞信息。隊(duì)列操作支持阻塞等待，向已經(jīng)填滿的隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)或者從空隊(duì)列讀出數(shù)據(jù)，都會(huì)導(dǎo)致阻塞，時(shí)間自定義。消息隊(duì)列的運(yùn)作過(guò)程具如下：
5.2 隊(duì)列創(chuàng)建
xQueueCreate()用于創(chuàng)建一個(gè)新的隊(duì)列并返回可用于訪問(wèn)這個(gè)隊(duì)列的句柄。隊(duì)列句柄其實(shí)就是一個(gè)指向隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型的指針。
- master_queue = xQueueCreate(50, sizeof(task_message_struct_t));
創(chuàng)建隊(duì)列，占用50個(gè)單元，每個(gè)單元為sizeof(task_message_struct_t)字節(jié)，和 malloc比較類似。其最終使用的函數(shù)是 xQueueGenericCreate()，后續(xù)信號(hào)量等也是使用它創(chuàng)建，只是最后的隊(duì)列類型不同。
申請(qǐng)內(nèi)存后，xQueueGenericReset再對(duì)其進(jìn)行初始化，隊(duì)列的結(jié)構(gòu)體xQUEUE成員：
- typedef struct QueueDefinition /* The old naming convention is used to prevent breaking kernel aware debuggers. */
- {
- int8_t * pcHead; /*< Points to the beginning of the queue storage area. */
- int8_t * pcWriteTo; /*< Points to the free next place in the storage area. */
- //類型
- union
- {
- QueuePointers_t xQueue; /*< Data required exclusively when this structure is used as a queue. */
- SemaphoreData_t xSemaphore; /*< Data required exclusively when this structure is used as a semaphore. */
- } u;
- //當(dāng)前向隊(duì)列寫(xiě)數(shù)據(jù)阻塞的任務(wù)列表或者從隊(duì)列取數(shù)阻塞的鏈表
- List_t xTasksWaitingToSend;
- List_t xTasksWaitingToReceive;
- //隊(duì)列里有多少個(gè)單元被占用，應(yīng)用中需要
- volatile UBaseType_t uxMessagesWaiting;
- UBaseType_t uxLength; /*< The length of the queue defined as the number of items it will hold, not the number of bytes. */
- UBaseType_t uxItemSize; /*< The size of each items that the queue will hold. */
- /******/
- } xQUEUE;
5.3 隊(duì)列刪除
隊(duì)列刪除函數(shù) vQueueDelete()需傳入要?jiǎng)h除的消息隊(duì)列的句柄即可，刪除之后這個(gè)消息隊(duì)列的所有信息都會(huì)被系統(tǒng)回收清空，而且不能再次使用這個(gè)消息隊(duì)列了。實(shí)際應(yīng)用中很少使用。
5.4 向隊(duì)列發(fā)送消息
任務(wù)或者中斷服務(wù)程序都可以給消息隊(duì)列發(fā)送消息，當(dāng)發(fā)送消息時(shí)，如果隊(duì)列未滿或者允許覆蓋入隊(duì)，F(xiàn)reeRTOS 會(huì)將消息拷貝到消息隊(duì)列隊(duì)尾，否則，會(huì)根據(jù)用戶指定的超時(shí)時(shí)間進(jìn)行阻塞，消息發(fā)送接口很多，最簡(jiǎn)單的是 xQueueSend()，用于向隊(duì)列尾部發(fā)送一個(gè)隊(duì)列消息。消息以拷貝的形式入隊(duì)，該函數(shù)絕對(duì)不能在中斷服務(wù)程序里面被調(diào)用，中斷中必須使用帶有中斷保護(hù)功能的 xQueueSendFromISR()來(lái)代替。
- BaseType_t xQueueSend(QueueHandle_t xQueue,const void* pvItemToQueue, TickType_t xTicksToWait);
用于向隊(duì)列尾部發(fā)送一個(gè)隊(duì)列消息。
參數(shù)
xQueue 隊(duì)列句柄
pvItemToQueue 指針，指向要發(fā)送到隊(duì)列尾部的隊(duì)列消息。
xTicksToWait 隊(duì)列滿時(shí)，等待隊(duì)列空閑的最大超時(shí)時(shí)間。如果隊(duì)列滿并且xTicksToWait 被設(shè)置成 0，函數(shù)立刻返回。超時(shí)時(shí)間的單位為系統(tǒng)節(jié)拍周期 tick，延時(shí)為 portMAX_DELAY 將導(dǎo)致任務(wù)掛起(沒(méi)有超時(shí))。
返回值
消息發(fā)送成功成功返回 pdTRUE，否則返回 errQUEUE_FULL。
- BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue,
- const void * const pvItemToQueue,
- TickType_t xTicksToWait,
- const BaseType_t xCopyPosition ) //發(fā)送數(shù)據(jù)到消息隊(duì)列的位置
1. BaseType_t xQueueGenericSend( QueueHandle_t xQueue, 2. const void * const pvItemToQueue, 3. TickType_t xTicksToWait, 4. const BaseType_t xCopyPosition ) //發(fā)送數(shù)據(jù)到消息隊(duì)列的位置
一般使用xQueueSend和xQueueSendFromISR，如不確定當(dāng)前運(yùn)行的是系統(tǒng)服務(wù)，還是中斷服務(wù)，一般ARM都支持查詢中斷狀態(tài)寄存器判斷，可以封裝一層接口，只管發(fā)消息，內(nèi)部判斷是否使用支持中斷嵌套的版本，UIS8910就是如此。特殊情況下，如發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包未收到服務(wù)器響應(yīng)，期望立刻入隊(duì)再次發(fā)送它，可以xQueueSendToFront向隊(duì)頭發(fā)消息。
5.5 從隊(duì)列讀取消息
當(dāng)任務(wù)試圖讀隊(duì)列中的消息時(shí)，可以指定一個(gè)阻塞超時(shí)時(shí)間，當(dāng)且僅當(dāng)消息隊(duì)列中有消息的時(shí)候，任務(wù)才能讀取到消息。如果隊(duì)列為空，該任務(wù)將保持阻塞狀態(tài)以等待隊(duì)列數(shù)據(jù)有效。當(dāng)其它任務(wù)或中斷服務(wù)程序往其等待的隊(duì)列中寫(xiě)入了數(shù)據(jù)，該任務(wù)將自動(dòng)由阻塞態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。當(dāng)任務(wù)等待的時(shí)間超過(guò)了指定的阻塞時(shí)間，即使隊(duì)列中尚無(wú)有效數(shù)據(jù)，任務(wù)也會(huì)自動(dòng)從阻塞態(tài)轉(zhuǎn)移為就緒態(tài)。所有的task主入口while循環(huán)體都是按這個(gè)執(zhí)行。例如：
- static void track_master_task_main()
- {
- track_task_message_struct_t queue_item = {0};
- /****/
- while(1)
- {
- if(xQueueReceive(master_queue, &queue_item, portMAX_DELAY))//阻塞等待
- {
- track_master_task_msg_handler(&queue_item);
- }
- }
- }
xQueueReceive()用于從一個(gè)隊(duì)列中接收消息并把消息從隊(duì)列中刪除。如果不想刪除消息的話，就調(diào)用 xQueuePeek()函數(shù)。xQueueReceiveFromISR()與xQueuePeekFromISR()是中斷版本，用于在中斷服務(wù)程序中接收一個(gè)隊(duì)列消息并把消息。這兩個(gè)函數(shù)只能用于中斷，是不帶有阻塞機(jī)制的，實(shí)際項(xiàng)目沒(méi)有使用。
5.6 查詢隊(duì)列使用情況
uxQueueMessagesWaiting()查詢隊(duì)列中存儲(chǔ)的信息數(shù)目，具有中斷保護(hù)的版本為uxQueueMessagesWaitingFromISR()。查詢隊(duì)列的空閑數(shù)目uxQueueSpacesAvailable()。
5.7 隊(duì)列使用注意點(diǎn)
使用隊(duì)列函數(shù)需要注意以下幾點(diǎn)：
1、中斷中必須使用帶FromISR后綴的接口;
2、發(fā)送或者是接收消息都是以拷貝的方式進(jìn)行，如果消息內(nèi)容過(guò)于龐大，可以將消息的地址作為消息進(jìn)行發(fā)送、接收。
- typedef struct
- {
- TaskHandle_t src_mod_id;
- int message_id;
- int32_t param;
- union
- {
- int32_t result;
- int32_t socket_id;
- };
- void* pvdata; //大數(shù)據(jù)使用動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存保存，隊(duì)列只傳遞指針
- } track_task_message_struct_t;
3、隊(duì)列并不屬于任何任務(wù)，所有任務(wù)都可以向同一隊(duì)列寫(xiě)入和讀出，一個(gè)隊(duì)列可以由多任務(wù)或中斷讀寫(xiě)。
4、隊(duì)列的深度要結(jié)合實(shí)際，可以多申請(qǐng)點(diǎn)，前提是每個(gè)隊(duì)列單元盡可能小。
5、隊(duì)列存在一定限制，在隊(duì)頭沒(méi)有取出來(lái)之前，是無(wú)法取出第二個(gè)，和STL鏈表存在差異。
六、 軟件定時(shí)器
6.1 軟件定時(shí)器的概念
定時(shí)器有硬件定時(shí)器和軟件定時(shí)器之分，硬件定時(shí)器是芯片本身提供的定時(shí)功能精度高，并且是中斷觸發(fā)方式。軟件定時(shí)器是由操作系統(tǒng)封裝的接口，它構(gòu)建在硬件定時(shí)器基礎(chǔ)之上，使系統(tǒng)能夠提供不受硬件定時(shí)器資源限制，其實(shí)現(xiàn)的功能與硬件定時(shí)器也是類似的。
在操作系統(tǒng)中，通常軟件定時(shí)器以系統(tǒng)節(jié)拍周期為計(jì)時(shí)單位。系統(tǒng)節(jié)拍配置為configTICK_RATE_HZ，該宏在 FreeRTOSConfig.h 中，一般是100或者1000。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng) CPU 的處理能力和實(shí)時(shí)性需求設(shè)置合適的數(shù)值，系統(tǒng)節(jié)拍周期的值越小，精度越高，但是系統(tǒng)開(kāi)銷也將越大，因?yàn)檫@代表在 1 秒中系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)鐘中斷的次數(shù)也就越多。
6.2 軟件定時(shí)器創(chuàng)建
軟件定時(shí)器需先創(chuàng)建才允許使用，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建方式是xTimerCreate()，返回一個(gè)句柄。軟件定時(shí)器在創(chuàng)建成功后是處于休眠狀態(tài)的，沒(méi)有開(kāi)始計(jì)時(shí)運(yùn)行。FreeRTOS的軟件定時(shí)器支持單次模式和周期模式。
單次模式：當(dāng)用戶創(chuàng)建了定時(shí)器并啟動(dòng)了定時(shí)器后，定時(shí)時(shí)間到了，只執(zhí)行一次回調(diào)函數(shù)，之后不再執(zhí)行。周期模式：定時(shí)器會(huì)按照設(shè)置的定時(shí)時(shí)間循環(huán)執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，直到用戶將定時(shí)器停止或刪除。
實(shí)際項(xiàng)目中使用這種模式對(duì)單片機(jī)喂狗就比較省事。
- TimerHandle_t xTimerCreate( const char * const pcTimerName, //定時(shí)器名稱
- const TickType_t xTimerPeriodInTicks, //定時(shí)時(shí)間
- const UBaseType_t uxAutoReload, //是否自動(dòng)重載
- void * const pvTimerID, //回調(diào)函數(shù)的參數(shù)
- TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction ) //回調(diào)函數(shù)
6.3 軟件定時(shí)器開(kāi)啟
新創(chuàng)建的定時(shí)器沒(méi)有開(kāi)始計(jì)時(shí)啟動(dòng)，可以使用
- xTimerStart()、
- xTimerReset()、
- xTimerStartFromISR() 、xTimerResetFromISR()
- xTimerChangePeriod()、xTimerChangePeriodFromISR()
這些函數(shù)將其狀態(tài)轉(zhuǎn)換為活躍態(tài)，開(kāi)始運(yùn)行。區(qū)別：如果定時(shí)器設(shè)定60秒間隔，已經(jīng)運(yùn)行了30秒，reset是將定時(shí)器重置為原來(lái)設(shè)定的時(shí)間間隔，也就是重新開(kāi)始延時(shí)60秒。ChangePeriod重新設(shè)置計(jì)時(shí)周期。
6.4 軟件定時(shí)器停止
xTimerStop() 用于停止一個(gè)已經(jīng)啟動(dòng)的軟件定時(shí)器，xTimerStopFromISR()是中斷版本。
6.5 軟件定時(shí)器刪除
xTimerDelete()用于刪除一個(gè)已經(jīng)被創(chuàng)建成功的軟件定時(shí)器，釋放資源，刪除之后不能再使用。實(shí)際項(xiàng)目中，任務(wù)和隊(duì)列都是按需創(chuàng)建，一直使用，但是定時(shí)器不使用的就應(yīng)該刪除，并且刪除后一定要將句柄置為NULL。
6.6 軟件定時(shí)器源碼分析
軟件定時(shí)器任務(wù)是在系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)度的時(shí)候就被創(chuàng)建：vTaskStartScheduler()—xTimerCreateTimerTask。
- BaseType_t xTimerCreateTimerTask( void )
- {
網(wǎng)頁(yè)名稱：FreeRTOS及其應(yīng)用，萬(wàn)字長(zhǎng)文，基礎(chǔ)入門
標(biāo)題路徑：http://m.5511xx.com/article/djsgejo.html
