RTOS入门

RTOS是什么？

RTOS是一款操作系统，相当于Windows\Linux

分为ucos FreeRTOS RT-Thread LiteOS

比裸机开发的优势在于，多任务系统，不必串行

临界区

• 临界区就是一段执行时不可被打断的代码
• 操作全局变量不可被打断
• 临界区的不可被打断机制，导致他不能运行太久，否则会阻塞程序

目录结构

源码放在FreeRTOS/Source文件夹下

• portable是需要特殊处理适配的
• include是包含的头文件

代码规范

数据结构

对常见的c语言数据结构重定义

1. #define portCHAR        char
2. #define portFLOAT       float
3. #define portDOUBLE      double
4. #define portLONG        long
5. #define portSHORT       short
6. #define portSTACK_TYPE  uint32_t
7. #define portBASE_TYPE   long

1. typedef int            int32_t;
2. typedef short          int16_t;
3. typedef char           int8_t;
4. typedef unsigned int   uint32_t;
5. typedef unsigned short uint16_t;
6. typedef unsigned char  uint8_t;

事实上，上述都是定义在stdint.h中的，因不同的系统Linux\Window\MacOS\RTOS有所不同，作用就是确保不同平台上都精确的占对应的位，占对应的字节（8位一字节）

变量定义

• char 型变量的前缀是 c

• short 型变量的前缀是 s

• long 型变量的前缀是 l

• 复杂的结构体，句柄等定义的变量名的前缀是 x

• 变量是无符号型的再加前缀 u，是指针变量则加前缀 p

函数取名

• 私有函数前加prv

• 返回值void，前缀v

#define taskYIELD() 表示宏定义在task.h下

任务

概念

单片机写在一个while(1)里，RTOS是内核调度执行。

每一个内核都是一个处理单元，一个内核同时只能处理一个任务

• 还有一个挂起状态，挂起状态下调度器不可见，如果一个任务较长时间不运行就把他挂起，否则阻塞的话还加个超时判断

创建任务

 ret = xTaskCreate((TaskFunction_t) master_task_main,  /* 任务入口函数 */(1)
                   “MASTER”,   /* 任务名字 */(2)
                   64*1024,   /* 任务栈大小 */(3)
                   NULL,    ,/* 任务入口函数参数 */(4)
                   TASK_PRIORITY_NORMAL,  /* 任务的优先级 */(5)
                   &task_master_handler);  /* 任务句柄指针 */(6)

• 任务入口函数，是个函数指针，指向要执行的任务。

• 任务描述名称，字符串形式，最大长度由 FreeRTOSConfig.h 中定义的 configMAX_TASK_NAME_LEN 宏指定，多余部分会被自动截掉，只是方便调试。

• 任务堆栈大小，单位为字， 4 个字节 uint32_t，这个要注意，否则系统内存紧缺。

• 任务入口函数形参，不用的时候配置为 0 或者NULL 即可。

• 任务的优先级，数值越大优先级越高，0 代表最低优先级。基于其SDK开发，可将自定义的所有业务功能task设为同一个优先级，按时间片轮询调度。

• 任务句柄指针，作用是可以恢复、挂起、删除等等，目前还不知道怎么实现的，也可以直接NULL。

迷糊的一点

void func(){};
void (*p)  () = func;

后面可以用p代替func，func代替不了p

• 但不可以直接void (* p)(){}写函数体，因为这样函数就没名字了

任务调度的时候第一个参数可以填p或&func

任务调度

创建成功后就进入了就绪状态，等待被调度

操作系统的任务调度器只启动一次，且启动了就不返回了，自此之后都由它调度

vTaskStartScheduler()

• 执行后自动创建空任务和定时器任务。

• 高优先级的任务可打断低优先级任务，低优先级任务必须在高优先级任务阻塞或结束后才能得到调度

• 相同优先级的任务采用时间片轮转方式进行调度

• 三个用于任务启动和切换的异常SVC、PendSV 和SysTick，分别用于任务启动、切换、获取时间片

启动方式

都要现在main中初始好硬件和RTOS系统

1. 所有任务创建完成，启动调度

2. 创建一个任务，启动调度器，然后在这个任务里创建其他任务，所有任务都创建完成，第一个任务把自己删掉

3. 为什么要空闲(idle)任务？因为一旦启动就不能停，设置一个优先级最低的空闲任务

状态切换

• vTaskSuspend(任务函数指针)挂起一个任务

• vTaskSuspendAll()挂起所有任务

• vTaskResume(任务函数指针)取消挂起

• xTaskResumeFromISR(任务函数指针)用于中断，不管被嵌套挂起几次都能解除

• vTaskDelete(任务函数指针)用于一个任务删除另一个任务。如果是自己删除自身就不用填形参

• 一般中断服务函数只做标记事件，然后通知其他任务完成其他的事情防止阻塞。

队列

概念

队列是用于任务间通信的特定数据结构

注意：消息空间已满仍在发或者消息空间NULL仍在读，都需要当前任务阻塞等待。

创建

xQueueGenericCreate()申请内存，传入队列占用单元、每个单元字节、队列类型

xQueueGenericReset()初始化，传入队列句柄

发消息

• xQueueSend()消息拷贝入队，如果是中断里需要用xQueueSendfromISR()

• 参数依次为：队列句柄、消息、队列满时阻塞超时时间

• xQueueSendToFrant()队首插入

• xQueueGenericSend()多个参数，第四个参数表示位置

• 如果不确定是不是fromISR,就只管发送，让内部判断是系统服务还是中断服务

收消息

xQueueReceive()接收消息并从消息空间删除，记得写阻塞超时的参数

查询

uxQueueMessagesWaiting(句柄)查询队列消息数量

uxQueueSpacesAvailable()查询队列空闲数量

定时器

分类

分为软件定时器、硬件定时器，硬件触发中断且精度高，软件是操作系统封装的接口，基于硬件

• 通常软件定时器以系统节拍周期为计时单位。系统节拍配置为configTICK_RATE_HZ，该宏在 FreeRTOSConfig.h 中，一般是100或者1000

• 系统节拍越小开销越大，但也越精确

创建

TimerHandle_t xTimerCreate( const char * const pcTimerName, //定时器名称
                           const TickType_t xTimerPeriodInTicks,  //定时时间
                           const UBaseType_t uxAutoReload,  //是否自动重载
                           void * const pvTimerID,  //回调函数的参数
                           TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction )  //回调函数

• 创建成功后处于休眠状态。
  
  xTimerStart()、

xTimerReset()、

xTimerStartFromISR() 、xTimerResetFromISR()

xTimerChangePeriod()、xTimerChangePeriodFromISR()

xTimerStop(),xTimerStopfromISR()

xTimerDelete()
• 队列和任务都是按需创建一直使用，一般不用删除，但是定时器用完一定要删，而且置句柄NULL

信号量

信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制 可以简单认为是为支持多任务同时操作的全局变量

二值信号量

• 二值信号量看作只有一个消息的队列，因此这个队列只能为空或满

计数信号量

• 计数信号量则可以被认为长度大于 1 的队列，信号量使用者依然不必关心存储在队列中的消息，只需关心队列是否有消息即可

互斥信号量

优先级翻转问题：假设有任务H，任务M和任务L三个任务，优先级逐次降低。低优先级的任务L抢先占有资源，导致高优先级的任务H阻塞等待，此时再有中等优先级的任务M，它不需要该资源，且优先级高于任务L，它优先执行；之后再执行任务L，最后才执行任务H。看起来就是高优先级的任务反而不如低优先级的任务，即优先级翻转。

任务L先占用资源，任务H申请不到资源会进入阻塞态，同时系统就会把当前正在使用资源的任务L的优先级临时提高到与任务H优先级相同，即使任务M被唤醒了，因为它的优先级比任务H低，所以无法打断任务L，因为任务L的优先级被临时提升到 H；任务L使用完该资源，任务H优先级最高，将接着抢占 CPU 的使用权，这样保证任务H在任务M前优先执行。

事件

计数信号量处理多任务、多中断、多任务与中断同步比较麻烦，引入事件

• 事件是一种实现任务间通信的机制，可以一对多，多对多，一个任务等待多个事件的触发就叫一对多