1、freeRTOS

1.1 什么是FreeRTOS

        Free就是免费的，RTOS全称是real time operating system，即实时操作系统。FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核，作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可满足较小系统的需要。

        严格上来说，FreeRTOS并不是一个实时操作系统，因为它是分时复用的，系统将时间分割成很多时间片，然后轮流执行各个任务。每个任务都是独立运行的，互不影响，由于切块的频率很快，感觉就像是同时运行的一样。

1.2 为什么选择FreeRTOS

        第一是其是免费的，源码公开，具有可移植。可裁剪。调度灵活等特点，可以方便地移植到各种单片机上运行；其二是很多半导体厂商产品的SDk（Software Development Kit）软件开发工具包，就是使用FreeRTOS作为其操作系统，尤其是WIFI、蓝牙这些带有协议栈的芯片或模块；其三是因为FreeRTOS的文件数量很少，移植简单。

1.3 FreeRTOS资料与源码下载

        最好的地方就是官网：FreeRTOS - Market leading RTOS (Real Time Operating System) for embedded systems with Internet of Things extensions

2、堆/栈

2.1 堆

        堆就是一块空闲的内存，我们可以管理这块内存，从这块内存中取出一部分使用，使用完再释放回去。

//heap_buf就是我们开辟的堆
char heap_buf[1024];
int pos = 0;

void *my_malloc(int size)
{
	int old_pos = pos;
	pos += size;
	return &heap_buf[old_pos];
}

void my_free(void *buf)
{
	/* err */
}

int main(void)
{
	char ch = 65; // char ch = 'A';
	int i;
	char *buf = my_malloc(100);
	
	unsigned char uch = 200;
	
	for (i = 0; i < 26; i++)
		buf[i] = 'A' + i;
	
	
	return 0;
}

2.2 栈

        在编写代码中，我们可能感觉不到栈的存在，但是它确实一直在默默存在。

void c_fun(void)
{
}


void b_fun(void)
{
}


int a_fun(int val)
{
	int a = 8;
	a += val;
	
	b_fun();
	
	c_fun();
	
	return a;
}


int main(void)
{
	
	a_fun(46);
	
	return 0;
}

        在上面的程序中，main函数调用了a_fun，在a_fun中调用了b_fun和c_fun。main函数在调用a_fun之前，会将返回的地址保存在LR（Link Register）中，然后调用a_fun，在main中返回的地址就是return 0语句所在的位置。

        a_fun函数在调用b_fun和c_fun时也是类似的，在调用之前要先将返回的地址保存在LR（Link Register）中，然后去调用，而在a_fun中调用b_fun的返回地址是c_fun所在的语句。那么此时main和a_fun函数的返回值的地址都保存在LR中，LR会不会被覆盖了？

        在a_fun函数内部，它会将LR的值存入栈中，然后再来保存本身的返回值地址，这样就不怕LR会被覆盖了，因此函数返回值的地址是被存入栈中的。栈也是一块空闲的内存。在main函数执行时，它会给main函数开辟一部分的栈空间，里面存放LR等寄存器和局部变量的值。

2.3 堆和栈的区别

        管理方式不同：栈由操作系统自动分配释放，无需我们手动控制；堆的申请和释放工作由程序员控制，容易产生内存泄漏。

        分配方式不同：堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有2种分配方式：静态分配和动态分配。

        空间大小不同：栈的大小要远远小于堆的大小。

        生长方向不同：堆的生长方向向上，内存地址由低到高;栈的生长方向向下，内存地址由高到低。

        数据结构不同：堆可以看成一棵树，如堆排序；栈是一种先进后出的结构。

        作用域的不同：堆的作用域是在全局，栈的作用域是在函数局部。

3、从官方源码精简出第一个freeRTOS

3.1 从官网下载

FreeRTOS - Free RTOS Source Code Downloads, the official FreeRTOS zip file release download

解压之后打开的目录

        FreeRTOS-Plus里面是FreeRTOS生态的文件，非必需，tools里面是亚马逊相关的文件，也不需要。文件夹只需要保留FreeRTOS。

        进入FreeRTOS-Demo文件夹，选择我们的目标文件夹，例如CORTEX_STM32F103_Keil，其余的就可以删掉了，在Demo中的文件夹的命名规则是指令集+芯片+编译器或者芯片+编译器。

        在FreeRTOS-Source文件夹中，里面的目录结构如下所示，在portable文件夹中，我们保留RVDS和MemMang，这里的命名规则是编译器/架构，在RVDS文件夹中，我们可以只保存ARM_CM3。

        至此，从官网下载的文件中，我们暂时不需要的文件都已经清除，文件大小从455MB降到了8.28MB。

3.2 打开工程

        这个工程是用Keil4来编写的，我们要将其更新成Keil5

        点击 Migrate to Device Pack 即可，更新完之后关掉再重新打开。

        打开之后会出现一些错误，然后根据提示更改。嫌麻烦可以将FreeRTOS-Demo中的Common文件夹保留，就不会报错了。

3.3 添加串口打印功能

3.3.1 去掉无关的代码

        System中的lcd.c，Demo files中的ParTest.c timertest.c spi_test.c semtest.c BlockQ.c blocktim.c comtest.c death.c flash.c integer.c  PollQ.c

        然后编译，根据错误提示，来进行修改。

3.3.2 添加串口打印功能

        第一步要初始化串口

        第二步要实现fputc功能，因为printf函数是标准库写好的，里面用到了fputc函数，我们要用串口将其打印出来就要对其进行改写。

3.3.3 使用Keil自带模拟器运行

        点击魔法棒-Debug，勾选Use Simulator

        然后点击debug，运行查看结果。

4、自己的第一个freeRTOS程序

4.1 创建两个打印任务

//参数：
    //函数指针，任务函数
    //任务的名字
    //栈大小，单位为word，10代表40字节
    //调用任务函数时传入的参数
    //优先级
    //任务句柄，以后使用它来操作这个函数
BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
                            const char * const pcName, 
                            const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
                            void * const pvParameters,
                            UBaseType_t uxPriority,
                            TaskHandle_t * const pxCreatedTask )

//关键代码
void Task1Function( void * param)
{
	while(1){
		printf("1");
	}
}

void Task2Function( void * param)
{
	while(1){
		printf("2");
	}
}


xTaskCreate(Task1Function, "Task1", 100, NULL, 1, &xHandleTask1);
xTaskCreate(Task2Function, "Task2", 100, NULL, 1, NULL);    //这样写也可以

        该程序运行结果会发现1和2交替打印。       

        既可以仿真查看结果，也可以上传到开发板查看结果。

        在开发板上直接调试，要保证开发板上电，开发板要连接调试器，并且在Keil中要选择真实的调试器。

        如果在keil中无法在源文件中设置断点，要确保调试器接好，并且将（魔术棒-Debug-调试器Settings-Debug）Debug中的“Verify Code Download”和“Download to flash”去掉勾选。

        如果要在keil中重新使用模拟器运行代码，要在Device中选择模拟的设备，Debug中选择“Use Simulator”，指定DLL：DARMSTM.DLL，指定参数：-STM32Fxxxx

4.2 freeRTOS源码结构

        以Keil工具下STM32F103芯片为例，它的FreeRTOS的目录如下：

        主要涉及2个目录：

                Demo：

                        Demo目录下是工程文件，以"芯片和编译器"组合成一个名字，比如：CORTEX_STM32F103_Keil

                Source：

                        根目录下是核心文件，这些文件是通用的

                        portable目录下是移植时需要实现的文件

                                目录名为：[compiler]/[architecture]

                                比如：RVDS/ARM_CM3，这表示cortexM3架构在RVDS工具上的移植文件

4.2.1 核心文件

        freeRTOS的最核心文件只有两个：

                FreeRTOS/Source/task.c

                FreeRTOS/Source/list.c

                其它文件的作用：

FreeRTOS/Source/下的文件	作用
task.c	必需，任务操作
list.c	必需，列表操作
queue.c	基本必需，提供队列操作、信号量（semaphore）操作
timer.c	可选，software timer
event_groups.c	可选，提供event group功能
croutine.c	可选，过时了

4.2.2 移植时涉及的文件

        移植FreeRTOS时涉及的文件放在FreeRToS/Source/portable/[compiler]/[architecture]目录下，比如：RVDS/ARM_CM3，这表示cortexM3架构在RVDS或Keil工具上的移植文件。

        里面有两个文件：port.c和portmacro.h

4.2.3 头文件相关

        FreeRTOS需要3个头文件目录：

                FreeRTOS本身的头文件：FreeRTOS/Source/linclude

                移植时用到的头文件：FreeRTOS/Source/portable/[compiler]/[architecture]

                含有配置文件FreeRTOSConfig.h的目录(Demo/目标文件夹)

        头文件列表：

头文件	作用
FreeRTOSConfig.h	FreeRTOS 的配置文件，比如选择调度算法： configUSE_PREEMPTION 每个 demo 都必定含有 FreeRTOSConfig.h 建议去修改 demo 中的 FreeRTOSConfig.h ，而不是从头写一个
FreeRTOS.h	使用 FreeRTOS API 函数时，必须包含此文件。 在 FreeRTOS.h 之后，再去包含其他头文件，比如： task.h 、 queue.h 、 semphr.h 、 event_group.h

4.2.4 内存管理

        文件在FreeRTOS/Source/portable/MemMang下，它也是放在portable目录下，表示你可以提供自己的函数。

        源码中默认提供了5个文件，对应内存管理的5种方法：

文件	优点	缺点
heap_1.c	分配简单，时间确定	只分配、不回收
heap_2.c	动态分配、最佳匹配	碎片、时间不定
heap_3.c	调用标准库函数	速度慢、时间不定
heap_4.c	相邻空闲内存可合并	可解决碎片问题、时间不定
heap_5.c	在 heap_4 基础上支持分隔的内存块	可解决碎片问题、时间不定

4.2.5 Demo

        Demo目录下是预先配置好的、没有编译错误的工程。目的是让你可以基于它进行修改，以适配你的单板。

        这些Demo还可以继续精简：

                Demo/ common中的文件可以完全删除

                main函数中只需要保留2个函数：

                        prvSetupHardware()

                        vTaskStartScheduler()

                        如下图所示：

4.3 freeRTOS数据类型和编程规范

4.3.1 数据类型

        每个移植的版本都含有自己的portmacro.h头文件，里面定义了2个数据类型：

        TickType_t：

                FreeRTOS配置了一个周期性的时钟中断：Tick Interrupt

                每发生一次中断，中断次数累加，这被称为tick counto

                tick count这个变量的类型就是TickType_t

                TickType_t可以是16位的，也可以是32位的

                FreeRTOSConfig.h中定义configUSE_16_BIT_TICKS时，TickType_t就是uint16_t

                否则TickType_t就是uint32_t

                对于32位架构，建议把TickType_t配置为uint32_t

        BaseType_t：

                这是该架构最高效的数据类型

                32位架构中，它就是uint32_t

                16位架构中，它就是uint16_t

                8位架构中，它就是uint8_t

                BaseType_t通常用作简单的返回值的类型，还有逻辑值，比如pdTRUE/pdFALSE

4.3.2 变量名

        在FreeRTOS的源码中，其变量名通常带有小写字母的前缀：

变量名前缀	含义
c	char
s	int16_t ， short
l	int32_t ， long
x	BaseType_t ， 其他非标准的类型：结构体、 task handle 、 queue handle 等
u	unsigned
p	指针
uc	uint8_t ， unsigned char
pc	char 指针

4.3.3 函数名

        在FreeRTOS的源码中，函数名的前缀有2部分：返回值类型、在哪个文件定义。

函数名前缀	含义
vTaskPrioritySet	返回值类型： void 在 task.c 中定义
xQueueReceive	返回值类型： BaseType_t 在 queue.c 中定义
pvTimerGetTimerID	返回值类型： pointer to void 在 tmer.c 中定义

4.3.2 宏的名

        在FreeRTOS的源码中，宏的名字是大小，可以添加小写的前缀。前缀是用来表示：宏在哪个文件中定义。

宏的前缀	含义：在哪个文件里定义
port ( 比如 portMAX_DELAY)	portable.h 或 portmacro.h
task ( 比如 taskENTER_CRITICAL())	task.h
pd ( 比如 pdTRUE)	projdefs.h
config ( 比如 configUSE_PREEMPTION)	FreeRTOSConfig.h
err ( 比如 errQUEUE_FULL)	projdefs.h

        通用的宏定义：

宏	值
pdTRUE	1
pdFALSE	0
pdPASS	1
pdFAIL	0