我是從 FreeRTOS 官方的文檔《Mastering the FreeRTOS Real Time Kernel》開(kāi)始學(xué)習(xí)它的，代碼和參考手冊(cè)都用的 9.0.0 版本。我還沒(méi)有用過(guò)其它的 RTOS, 所以也無(wú)意評(píng)價(jià)它的優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)然，它無(wú)疑是一個(gè)優(yōu)秀而且很流行的嵌入式 RTOS. 要上手也很快，本篇我就記錄一下如何將 FreeRTOS 的代碼加到已有的工程里面，作為一個(gè)備忘參考（網(wǎng)上也能隨便搜到很多關(guān)于怎么使用 FreeRTOS, 怎么創(chuàng)建任務(wù)等等的文章。在我的學(xué)習(xí)筆記系列里面這部分內(nèi)容倒不是首要的，因?yàn)槲蚁敕窒淼氖菑奈覍?duì) FreeRTOS 代碼的分析和實(shí)踐了解到它是怎么工作的，帶來(lái)了什么好處）。

從 freertos.org 網(wǎng)站上可以找到下載源代碼包的鏈接。以我用的 v9.0.0 代碼為參考，它的根目錄下有6個(gè)C源文件:

croutine.c
event_groups.c
list.c
queue.c
tasks.c
timers.c
　　

這些文件是 FreeRTOS 的核心代碼，有的還是可選的。然后是兩個(gè)子目錄：include 和 portable. include 目錄下的頭文件包含了系統(tǒng)核心用到的宏定義，以及編程用到的 API 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、函數(shù)原型等。在 portable 目錄下的文件提供一些會(huì)被 FreeRTOS 核心代碼調(diào)用的函數(shù)，這些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行環(huán)境有關(guān)系，或者是存在多種實(shí)現(xiàn)方式。比如，因?yàn)?FreeRTOS 支持多種硬件平臺(tái)，與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)密切方式相關(guān)的代碼（例如匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)）就放到編譯器、CPU類(lèi)型對(duì)應(yīng)的子目錄下。portable 目錄下的文件不是系統(tǒng)核心，除了 FreeRTOS 代碼包里提供的這些文件，用戶(hù)還可以根據(jù)自己的環(huán)境編寫(xiě)函數(shù)。

 

生成目標(biāo)模塊的文件里面，按照能運(yùn)行起來(lái)的最小需求，tasks.c 和 list.c 必不可少（因?yàn)?FreeRTOS 的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用了鏈表，所以需要 list.c）。此外還必須有一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的模塊，例如我用于 STM32 就選用了 /portable/GCC/ARM_CM3/port.c

在自己寫(xiě)的程序源文件里面，至少需要包含兩個(gè)頭文件：FreeRTOS.h 和 task.h . 如果用了其它可選的功能 API，就要將相應(yīng)的頭文件包含進(jìn)來(lái)，具體看手冊(cè)說(shuō)明。如果編譯時(shí)出現(xiàn)警告或錯(cuò)誤說(shuō)什么什么沒(méi)有定義，就先檢查一下是否缺了頭文件。

FreeRTOS 的靈活性很大，許多功能不需要?jiǎng)t可裁減掉。為了減少對(duì)內(nèi)存的浪費(fèi)，某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)位寬也是可以指定的。因此 FreeRTOS 要求用戶(hù)編寫(xiě)一個(gè) FreeRTOSConfig.h 頭文件，定義若干參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的功能和特性進(jìn)行配置。
　　

初次使用 FreeRTOS, 也不必自己書(shū)寫(xiě)這個(gè)配置文件，只須從代碼包的 Demo 目錄下找一個(gè)和自己的環(huán)境相近的工程，將其中的 FreeRTOSConfig.h 拷貝出來(lái)，根據(jù)需要稍微調(diào)整一下就可以了。如果用的是 STM32, 還可以從 ST 官方的(比如 CubeF4 里面) FreeRTOS 例子工程里面借用一個(gè)。

有幾個(gè)與系統(tǒng)資源關(guān)系密切的宏定義要留意一下：

#define configCPU_CLOCK_HZ               ( SystemCoreClock )
#define configTICK_RATE_HZ                ( ( TickType_t ) 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES            ( 5 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE   ( ( unsigned short ) 130 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE          ( ( size_t ) ( 75 * 1024 ) )
　　

configCPU_CLOCK_HZ 是 CPU 的時(shí)鐘頻率，F(xiàn)reeRTOS 需要知道它才能正確配置硬件定時(shí)器。configTICK_RATE_HZ 是指定 FreeRTOS 用的時(shí)鐘中斷頻率，也就是決定所用時(shí)間間隔的單位。configMAX_PRIORITIES 指定存在多少種任務(wù)優(yōu)先級(jí)，在夠用的前提下應(yīng)盡量少。configMINIMAL_STACK_SIZE 是給任務(wù)分配堆棧的最小值，F(xiàn)reeRTOS 會(huì)按這個(gè)值給 Idle 任務(wù)分配堆棧。configTOTAL_HEAP_SIZE 是決定分配多少內(nèi)存給 FreeRTOS 自己管理，在動(dòng)態(tài)創(chuàng)建任務(wù)和其它一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候使用，見(jiàn)下一節(jié)說(shuō)明。
　　

務(wù)必注意決定任務(wù)調(diào)度特點(diǎn)的兩個(gè)宏定義：
　　

configUSE_PREEMPITON 指定是否使用搶占式任務(wù)調(diào)度——即是否運(yùn)行中的任務(wù)不主動(dòng)交出控制權(quán)也允許被調(diào)度。
　　

configUSE_TIME_SLICING 指定是否針對(duì)同一優(yōu)先級(jí)下的任務(wù)使用時(shí)間片調(diào)度（在搶占式調(diào)度前提下）。
　　

有些可選的功能需要通過(guò)宏指定開(kāi)啟，例如 configUSE_QUEUE_SETS, configUSE_TIMERS, configUSE_COUNTING_SEMAPHORES, configUSE_MUTEXES,

configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 等。沒(méi)有指定則 FreeRTOS 會(huì)使用默認(rèn)值，需要留意手冊(cè)中的說(shuō)明。
　　

也可以直接察看 FreeRTOS.h 中的條件編譯語(yǔ)句對(duì)未定義 configXXX_XXXX 宏的處理，大多數(shù)是默認(rèn)定義為0, 也有少數(shù)定義為1的。另有幾不提供默認(rèn)值的宏若沒(méi)有在 FreeRTOSConfig.h 中定義，就直接報(bào)錯(cuò)了。

前面我提到過(guò)，F(xiàn)reeRTOS 的每個(gè)任務(wù)都需要分配內(nèi)存作為堆棧和TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有兩種內(nèi)存分配方式——靜態(tài)分配，在編譯時(shí)決定；和動(dòng)態(tài)分配，在運(yùn)行時(shí)決定。通常我們會(huì)使用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，這時(shí)候要讓 FreeRTOS 核心能夠分次申請(qǐng)一定大小的內(nèi)存，類(lèi)似于提供C語(yǔ)言的 malloc() free() 機(jī)制。
　　

那么為什么 FreeRTOS 不直接使用C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里面的 malloc() 和 free() 函數(shù)呢？文檔里面提到幾方面的考慮：(1)多任務(wù)調(diào)用, C庫(kù)函數(shù)是否可重入的問(wèn)題。(2)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和代碼效率。(3)增加程序鏈接、調(diào)試的復(fù)雜度。
　　

FreeRTOS 使用的內(nèi)存分配和釋放函數(shù)是 pvPortMalloc() 及 vPortFree(). 在 /portable/MemMang 目錄下面有幾個(gè)版本的文件，各自實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)函數(shù)：

　　heap_1.c 只分配內(nèi)存，不可釋放。用在只創(chuàng)建而不銷(xiāo)毀的場(chǎng)合，不存在內(nèi)存碎片問(wèn)題。
　　heap_2.c 可以釋放分配的內(nèi)存，使用最適匹配原則。
　　heap_3.c 借助標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的 malloc() 和 free() 函數(shù)管理內(nèi)存，額外增加代碼來(lái)避免重入。
　　heap_4.c 是在 heap_2 基礎(chǔ)上的改進(jìn)，可以將鄰接的空閑內(nèi)存塊合并。
　　heap_5.c 可以管理地址不連續(xù)的幾塊SRAM區(qū)域。
　　

對(duì)于 heap_1.c, heap_2.c, heap_4.c 三種實(shí)現(xiàn)都需要配置文件中定義好 configTOTAL_HEAP_SIZE 這個(gè)宏，即在編譯時(shí)分配一大塊固定位置的內(nèi)存，給 FreeRTOS 作為堆(Heap)使用。所有任務(wù)申請(qǐng)的內(nèi)存都出自這一塊預(yù)定的內(nèi)存里面。heap_3.c 是由 C 庫(kù)函數(shù)負(fù)責(zé)內(nèi)存管理，就不需要這個(gè)宏定義了。而針對(duì) heap_5.c 顯然這一描述不夠，需要提供每塊 SRAM 區(qū)域分別的地址和大小的信息，所以它要求用戶(hù)調(diào)用 vPortDefineHeapRegions() 函數(shù)來(lái)指定內(nèi)存詳情。

 
如果對(duì)這幾個(gè)還不滿(mǎn)意，當(dāng)然也可以自己寫(xiě)內(nèi)存管理的函數(shù)了（這是 portable 的部分，結(jié)合具體需求定制是它的初衷）。

其實(shí)對(duì)于小的很確定的應(yīng)用，比如就創(chuàng)建一兩個(gè)任務(wù)來(lái)跑，動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存都不是必須的。只要在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候麻煩一點(diǎn)，手動(dòng)指定作為堆棧和TCB的內(nèi)存地址，就一樣能工作。這便是 FreeRTOS 支持的靜態(tài)創(chuàng)建方式。從 9.0.0 版本開(kāi)始，已經(jīng)可以完全去掉堆內(nèi)存管理的代碼。要在配置文件中定義 configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION 宏值為1才能支持使用靜態(tài)分配的內(nèi)存創(chuàng)建對(duì)象。同樣還有一個(gè)宏 configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION (默認(rèn)值為1)是決定是否支持動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的。
　　

用靜態(tài)分配內(nèi)存創(chuàng)建對(duì)象，要調(diào)用函數(shù)名以 Static 結(jié)尾的 API. 例如 xQueueCreateStatic(), 其原型如下：

QueueHandle_t xQueueCreateStatic(
                              UBaseType_t uxQueueLength,
                              UBaseType_t uxItemSize,
                              uint8_t *pucQueueStorageBuffer,
                              StaticQueue_t *pxQueueBuffer
                          );
　　

而使用動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的常規(guī)版本 API 函數(shù)是 xQueueCreate():

QueueHandle_t xQueueCreate(
                              UBaseType_t uxQueueLength,
                              UBaseType_t uxItemSize
                          );
　　

可見(jiàn)靜態(tài)內(nèi)存方式需要用戶(hù)以參數(shù)形式提供對(duì)象使用的內(nèi)存地址，可能還不止一塊。使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存就直接按需要從堆中分配了，程序?qū)懫饋?lái)簡(jiǎn)單。
　　

此外，若支持靜態(tài)內(nèi)存的選項(xiàng)打開(kāi)，F(xiàn)reeRTOS 還要求用戶(hù)提供一個(gè) vApplicationGetIdleTaskMemory() 函數(shù)，用來(lái)給系統(tǒng)獲取 Idle 任務(wù)的堆棧內(nèi)存地址、TCB內(nèi)存地址和堆棧大小。因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)用 xTaskCreateStatic() 來(lái)創(chuàng)建 Idle 任務(wù)。同樣的原因，在使用 Timer 功能時(shí)，要提供 vApplicationGetTimerTaskMemory() 函數(shù)。

FreeRTOS 總有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)，若當(dāng)前無(wú)事可做，那么就讓一個(gè)代表“系統(tǒng)空閑”的任務(wù)運(yùn)行——這就是 Idle 任務(wù)。當(dāng) FreeRTOS 調(diào)度器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)隱含地創(chuàng)建這個(gè)任務(wù)。Idle 任務(wù)具有最低的優(yōu)先級(jí)，它必須要讓位于任何更重要的任務(wù)，除非它們都阻塞或掛起了。
　　

Idle 任務(wù)的一個(gè)用途是管理硬件的低功耗模式，我將另開(kāi)一篇來(lái)討論。
　　

除了 Idle 任務(wù)，F(xiàn)reeRTOS 還帶有一個(gè) Timer 任務(wù)，也就是 Daemon Task, 用來(lái)輔助完成一些功能，例如軟件定時(shí)器。這個(gè)任務(wù)是可選的，在配置選項(xiàng) configUSE_TIMERS 為1時(shí)才打開(kāi)。它的代碼在 timers.c 中。Timer 任務(wù)的作用是處理跟時(shí)間有關(guān)的事務(wù)，但這些事務(wù)又不能放到時(shí)鐘中斷 ISR 里去處理(并非響應(yīng)硬件請(qǐng)求，沒(méi)有那么高實(shí)時(shí)性要求), 還要接受調(diào)度器管理。
　　

例如，創(chuàng)建軟件定時(shí)器的時(shí)候指定一個(gè)回調(diào)函數(shù)：

TimerHandle_t xTimerCreate(const char * const pcTimerName,
                            const TickType_t xTimerPeriodInTicks,
                            const UBaseType_t uxAutoReload,
                            void * const pvTimerID,
                            TimerCallbackFunction_t pxCallbackFunction
                        );

在定的時(shí)間到以后，pxCallbackFunction() 將被 Timer 任務(wù)調(diào)用，即是在 Timer 任務(wù)的上下文中執(zhí)行，而不是創(chuàng)建這個(gè)軟件定時(shí)器的任務(wù)上下文中執(zhí)行。
　　

Timer 任務(wù)另一功能是執(zhí)行 xTimerPendFunctionCall(), xTimerPendFunctionCallFromISR() 指定的函數(shù)調(diào)用，如我在第(5)篇筆記中寫(xiě)的。這些被指定的函數(shù)，連同軟件定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，是一個(gè)個(gè)順序執(zhí)行的，都使用 Timer 任務(wù)的堆棧。

為了實(shí)現(xiàn)與時(shí)間有關(guān)的功能，硬件定時(shí)器是必須要用到的。FreeRTOS 有一個(gè)函數(shù) xTaskIncrementTick() 是給硬件定時(shí)器的 ISR 調(diào)用的。因?yàn)楹诵拇a與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，無(wú)法寫(xiě)成中斷形式，故采用這種方式。實(shí)際上也相當(dāng)于系統(tǒng)使用了一個(gè)定時(shí)器中斷，不過(guò) ISR 屬于 portable 層面，用戶(hù)可以自由設(shè)計(jì)，這個(gè)中斷也不一定 FreeRTOS 獨(dú)占，例如可以再做一些硬件方面的操作，只要定期及時(shí)調(diào)用 xTaskIncrementTick() 就可以了。為了加深理解，可以看看不同硬件平臺(tái)的 port.c 中如何處理。

FreeRTOS 在 ARM Cortex-m0/m3/m4/m7 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)中，還使用了 PendSV 中斷和 SVC 中斷，這是軟件產(chǎn)生的中斷，其 ISR 是調(diào)度器的一部分。但是在其它硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)中，未必有類(lèi)似的軟中斷可用。

在一個(gè)用 FreeRTOS 的工程里面，幾乎必然用到的是創(chuàng)建任務(wù)，哪怕只有一個(gè)任務(wù)。比如可以在 main() 里面創(chuàng)建首先要運(yùn)行的任務(wù)，使用 xTaskCreate() 這個(gè) API 函數(shù)：

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,
                        const char * const pcName,
                        const uint16_t usStackDepth,
                        void * const pvParameters,
                        UBaseType_t uxPriority,
                        TaskHandle_t * const pxCreatedTask);

第一個(gè)參數(shù) pxTaskCode 是任務(wù)的主函數(shù)(入口地址)，然后 pcName 是代表任務(wù)名稱(chēng)的一個(gè)字符串。usStackDepth 很重要，是決定給任務(wù)分配多少內(nèi)存作為堆棧。pvParameters 是向任務(wù)函數(shù)傳遞參數(shù)用的，uxPriority 是初始的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，pxCreatedTask 用來(lái)保存任務(wù) handle, 也就是TCB的地址。當(dāng)創(chuàng)建成功，這個(gè)函數(shù)返回 pdTRUE, 然后任務(wù)處于 ready 狀態(tài)，隨時(shí)可以運(yùn)行。
　　

實(shí)際上要等到調(diào)度器起用以后，前面所創(chuàng)建的任務(wù)才能運(yùn)行。當(dāng)主程序完成了系統(tǒng)的初始化工作，比如配置片上設(shè)備，創(chuàng)建好必需的任務(wù)、各種通信對(duì)象，就可以調(diào)用 vTaskStartScheduler() 來(lái)起用調(diào)度器。一般來(lái)說(shuō)這個(gè)函數(shù)并不返回，因此余下運(yùn)行的就是各個(gè)任務(wù)的函數(shù)了。vTaskStartScheduler() 還會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建 Idle 任務(wù)和 Timer 任務(wù)，然后選擇最高優(yōu)先級(jí)的一個(gè)任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行。

在一個(gè)新平臺(tái)上使用 FreeRTOS 功能的時(shí)候，可以用一些 API 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的多任務(wù)運(yùn)行，下面列舉幾個(gè)，都不涉及任務(wù)間通信。

vTaskDelay() 最常用來(lái)產(chǎn)生延時(shí)。調(diào)用它的任務(wù)立即被阻塞，等到經(jīng)過(guò)要求的若干 Timer Tick 過(guò)后再恢復(fù)到就緒狀態(tài)。注意，下一次 Tick 的時(shí)刻(也就是硬件定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)刻)和調(diào)用 vTaskDelay() 的時(shí)刻有一段不確定的間隔，因此要求精確的延遲時(shí)要考慮這個(gè)函數(shù)是否滿(mǎn)足需求。
　　

vTaskDelayUntil() 功能類(lèi)似，只不過(guò)它是指定一個(gè)絕對(duì)時(shí)間，而 vTaskDelay() 是從調(diào)用時(shí)刻計(jì)的相對(duì)時(shí)間。
　　

xTaskGetTickCount() 返回調(diào)度器已運(yùn)行的 Tick 數(shù)，也就是總執(zhí)行時(shí)間。
　　

vTaskSuspend() 和 vTaskResume(), 這兩個(gè)函數(shù)可以將某一任務(wù)掛起，以及使掛起的任務(wù)恢復(fù)。
　　

vTaskSuspendAll() 和 vTaskResumeAll(): 這兩個(gè)表面上看起來(lái)是上兩個(gè) API 功能的擴(kuò)充，實(shí)際上原理完全不同。vTaskSuspendAll() 將調(diào)度器禁止，當(dāng)前任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，中斷也是允許的。限制是此時(shí)不能調(diào)用其它的 API, 直到用 vTaskResumeAll() 恢復(fù)調(diào)度器之后。和關(guān)鍵區(qū)域(critical section)的用法不同，關(guān)鍵區(qū)域是硬件上屏蔽中斷保證不會(huì)發(fā)生任務(wù)切換，API 還是可以使用的。
　　

vTaskList() 接收一個(gè)字符緩沖區(qū)，生成文本格式的所有任務(wù)的列表，包括狀態(tài)信息。
　　

小結(jié)：FreeRTOS入門(mén)運(yùn)用不難，只需要把幾個(gè)文件添加進(jìn)現(xiàn)有的工程里面，就能改成多任務(wù)的。必要的步驟是決定配置選項(xiàng)，編寫(xiě) FreeRTOSConfig.h 文件，以及決定內(nèi)存管理方式。