裸機開發(fā)與操作系統(tǒng)

在以往的嵌入式學習中，我們最常用的就是裸機開發(fā)，所謂裸機開發(fā)就是指在沒有操作系統(tǒng)支持的情況下，直接使用裸機硬件的一種開發(fā)方式。在裸機開發(fā)中，我們往往會定義一個循環(huán)，比如while（1）來控制單片機循環(huán)內(nèi)的代碼，實現(xiàn)特定的功能；但是這樣的方法存在一些問題：單片機始終受困于循環(huán)之中，雖說有各種各樣的中斷，讓裸機開發(fā)能夠應(yīng)對一些較為復雜的場合，但是單片機始終無法擺脫單任務(wù)，簡單應(yīng)用的場合。
而操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，則是準確的解決了裸機開發(fā)的痛點。最顯著的就是讓單片機不再局限于單任務(wù)，能夠同時運行多個任務(wù)，處理更為復雜的任務(wù)，實現(xiàn)單片機芯片性能的釋放。

以上為個人總結(jié)的出，操作系統(tǒng)具體介紹看下面：

嵌入式操作系統(tǒng)簡介

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System）是專門設(shè)計用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，它通常運行在資源有限、功耗低、特定功能的硬件平臺上，如微控制器、傳感器節(jié)點、嵌入式設(shè)備等。與桌面計算機或服務(wù)器操作系統(tǒng)不同，嵌入式操作系統(tǒng)需要考慮更多的實時性、穩(wěn)定性和功耗優(yōu)化。

嵌入式操作系統(tǒng)的主要特點和功能包括：

• 實時性：對于許多嵌入式應(yīng)用來說，時間的準確性和響應(yīng)速度至關(guān)重要。因此，嵌入式操作系統(tǒng)通常提供實時調(diào)度器，能夠確保任務(wù)在指定的時間內(nèi)完成。

• 資源管理：由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，嵌入式操作系統(tǒng)需要有效地管理內(nèi)存、處理器時間、外設(shè)等資源。它們提供了資源分配和調(diào)度的機制，以便多個任務(wù)能夠協(xié)同工作而不互相干擾。

• 低功耗設(shè)計：嵌入式操作系統(tǒng)通常優(yōu)化了功耗管理，能夠有效控制設(shè)備在不同運行狀態(tài)下的能耗，延長電池壽命或者減少能源消耗。

• 實時操作：針對需要處理實時數(shù)據(jù)流或事件的應(yīng)用，嵌入式操作系統(tǒng)能夠確保及時響應(yīng)和處理，如控制系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集等。

• 驅(qū)動程序支持：嵌入式操作系統(tǒng)提供了通用的設(shè)備驅(qū)動程序接口，簡化了與硬件的交互，開發(fā)者可以通過API調(diào)用來訪問和控制各種硬件設(shè)備。

• 任務(wù)調(diào)度：多任務(wù)管理是嵌入式操作系統(tǒng)的一個重要功能。它能夠管理多個任務(wù)的優(yōu)先級、調(diào)度順序以及任務(wù)之間的通信和同步。

• 通信支持：許多嵌入式系統(tǒng)需要與外部設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)進行通信。嵌入式操作系統(tǒng)提供了通信協(xié)議和接口支持，如串口通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等。

FreeRTOS是嵌入式操作系統(tǒng)的一種，也是我們要學習的內(nèi)容：

FreeRTOS簡介

FreeRTOS（Real-Time Operating System）是一個開源的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。它提供了輕量級的多任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、定時器、信號量、消息隊列等功能，使得開發(fā)者能夠在嵌入式設(shè)備上輕松實現(xiàn)復雜的應(yīng)用程序。
主要特點：

1. 開源和免費：FreeRTOS是開源項目，采用MIT許可證，可以免費用于商業(yè)和個人項目。這使得開發(fā)者可以自由地使用、修改和分發(fā)它，同時享受開源社區(qū)的支持和貢獻。

2. 輕量級和高效：FreeRTOS的內(nèi)核設(shè)計非常精簡，占用資源少，適合運行在內(nèi)存和處理器能力有限的嵌入式設(shè)備上。其任務(wù)切換速度快，響應(yīng)時間短，適用于對實時性要求高的應(yīng)用場景。

3. 多任務(wù)管理：FreeRTOS支持多任務(wù)管理，可以同時運行多個任務(wù)，每個任務(wù)有獨立的任務(wù)優(yōu)先級。開發(fā)者可以利用任務(wù)調(diào)度器（scheduler）來控制任務(wù)執(zhí)行的順序和時間片分配，實現(xiàn)復雜的并發(fā)控制和協(xié)同工作。

4. 實時調(diào)度器：內(nèi)置的實時調(diào)度器確保任務(wù)能按照優(yōu)先級和預定時間執(zhí)行，滿足實時數(shù)據(jù)處理和響應(yīng)的需求。這使得FreeRTOS特別適合需要及時處理事件或數(shù)據(jù)的應(yīng)用，如工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域。

5. 資源管理：FreeRTOS提供了豐富的資源管理功能，包括內(nèi)存管理、任務(wù)間通信（如信號量、消息隊列、郵箱等）、定時器和事件控制等。這些功能能夠有效地管理和分配設(shè)備的有限資源，提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

6. 可移植性：FreeRTOS支持多種架構(gòu)和開發(fā)板，如ARM、AVR、PIC等，以及多種編譯器，如GCC、Keil、IAR等。這種廣泛的支持使得開發(fā)者可以輕松在不同硬件平臺上移植和使用FreeRTOS。

7. 社區(qū)支持和生態(tài)系統(tǒng)：FreeRTOS擁有活躍的開發(fā)社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)，提供了豐富的文檔、示例代碼和技術(shù)支持。開發(fā)者可以通過社區(qū)獲取技術(shù)支持、交流經(jīng)驗，加速開發(fā)過程。

總結(jié)下來就是：免費開源、簡單好用、可移植性高、可裁剪、輕量級、使用廣泛。

FreeRTOS的幾個重要概念

任務(wù)調(diào)度器

調(diào)度器就是使用相關(guān)的調(diào)度算法來決定當前需要執(zhí)行的哪個任務(wù)，FreeRTOS 一共支持三種任務(wù)調(diào)度方式：

• 搶占式調(diào)度：主要是針對優(yōu)先級不同的任務(wù)，每個任務(wù)都有一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的任務(wù)可以搶占優(yōu)先級低的任務(wù)。

1. 高優(yōu)先級任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行。
2. 高優(yōu)先級任務(wù)不停止（或者說是阻塞：任務(wù)內(nèi)部在延時或者等待系統(tǒng)信號量等操作叫阻塞），低優(yōu)先級任務(wù)無法執(zhí)行。
3. 被搶占的任務(wù)會進入就緒狀態(tài)。

• 時間片調(diào)度：主要針對優(yōu)先級相同的任務(wù)，當多個任務(wù)的優(yōu)先級相同時， 任務(wù)調(diào)度器會在每一次系統(tǒng)時鐘節(jié)拍到的時候切換任務(wù)。

1. 同等優(yōu)先級任務(wù)輪流地享有相同的 CPU 時間(可設(shè)置)， 叫時間片，在FreeRTOS中，一個時間片就等于SysTick 中斷周期
2. 同等優(yōu)先級任務(wù)，輪流執(zhí)行；時間片流轉(zhuǎn)
3. 一個時間片大小，取決為滴答定時器中斷周期
4. 當一個任務(wù)進入阻塞，但是時間片還沒用完時，會直接進入下一個任務(wù)，且下一個任務(wù)的時間片長短不變。

• 協(xié)程式調(diào)度：當前執(zhí)行任務(wù)將會一直運行，同時高優(yōu)先級的任務(wù)不會搶占低優(yōu)先級任務(wù)，FreeRTOS現(xiàn)在雖然還支持，但是官方已經(jīng)表示不再更新協(xié)程式調(diào)度，基本上不使用了。

任務(wù)狀態(tài)

在FreeRTOS中任務(wù)一共有以下四種狀態(tài)：

• 運行態(tài)：正在執(zhí)行的任務(wù)處于運行態(tài)，在STM32中，同一時刻只有一個任務(wù)處于運行態(tài)，之所以說FreeRTOS能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)，是因為單片機在很短時間內(nèi)依次執(zhí)行多個任務(wù)，由于一個時間片間隔很短，導致好像同時在運行多個任務(wù)。
• 就緒態(tài)：表示該任務(wù)已經(jīng)可以被執(zhí)行，但是還沒輪到它，處于就緒態(tài)
• 阻塞態(tài)：如果一個任務(wù)因延時或等待外部事件發(fā)生，那么這個任務(wù)就處于阻塞態(tài)
• 掛起態(tài)：類似暫停，調(diào)用函數(shù) vTaskSuspend() 進入掛起態(tài)，需要調(diào)用解掛函數(shù)vTaskResume()才可以進入就緒態(tài)
  

只有就緒態(tài)的任務(wù)可以變成運行態(tài)！！！

狀態(tài)列表

除了運行態(tài)之外，其他狀態(tài)的任務(wù)都有一個任務(wù)列表

• 就緒列表：pxReadyTasksLists[x] ，X表示優(yōu)先級
• 阻塞列表：pxDelayedTaskList
• 掛起列表：xSuspendedTaskList

調(diào)度器總是在所有處于就緒列表的任務(wù)中，選擇具有最高優(yōu)先級的任務(wù)來執(zhí)行 ,當所有任務(wù)處于同一個優(yōu)先級時，會都在同一個就緒列表上