FreeRTOS总结

堆内存管理

• 有五种内存分配方式
• 常用的为heap_4方式

任务管理

• 任务不能以任何方式实现函数返回，可以在任务的死循环外加上xTaskDelete( )

• 创建任务：xTaskCreate( )

  1. 任务堆栈的大小，空闲任务的最小是configMINIMAL_STACK_SIZE，其他任务不能比他小
  2. 任务优先级，0~configMAX_PRIORITIES-1 ，数字越小，优先级越低 。
     1. configMAX_PRIORITIES尽量保证必要最小值 ，越大消耗RAM越多

• 滴答中断：一般调度器都是基于时间片的抢占系统

  • 滴答中断频率：configTICK_RATE_HZ，要与滴答定时器的频率匹配
  • 典型值为100HZ，即10ms的时间片，但是要注意vTaskDelay函数的延时
  • pdMS_TO_TICKS，使得100HZ的滴答只能延时10ms的整数倍时间，所以我感觉1000HZ也还可以

• 任务状态

  • 阻塞状态：
    • 时间性事件：例如延时vTaskDelay
    • 同步事件：进入阻塞等待数据到达，例如：队列、二进制和计数量、互斥量、事件组、任务通知等。如果设置10ms，10ms内数据到达，或者超过10ms数据没到达，都会离开阻塞状态
  • 暂停状态：进入暂停唯一方法就是vTaskSuspend，退出方法就是vTaskResume
  • 就绪状态：准备好运行，但是还没运行

• 阻塞延时：vTaskDelay和vTaskDelayUntil

• 空闲任务

  • 调度器启动时会自动创建空闲任务，当其他任务都阻塞时也有空闲任务时刻运行
  • 空闲任务钩子：vApplicationIdleHook
    • ***功能：***执行低优先级、后台或连续处理函数；测量空闲处理能力；将处理器置于低功耗模式
    • **注意：**钩子函数绝对不能阻塞和暂停；如果使用了vTaskDelete，空闲任务负责清理被删除任务的资源，还要确保空闲任务不会被饿死

• 任务优先级：设置任务优先级：vTaskPrioritySet，获取任务优先级：vTaskPriorityGet

• **任务删除：**vTaskDelete

• **线程本地存储：**vTaskSetThreadLocalStoragePointer和pvTaskGetThreadLocalStoragePointer，根据任务数组的索引设置和读取数据

• 调度算法*：***

  • 时间片优先的抢占式调度：用的最多，但注意资源不能被多个任务同时访问，否则可能破坏资源
    • 一个任务优先级高于运行状态任务会抢占运行状态任务
    • 同等优先级任务使用时间片共享处理时间
    • 自动会执行最高优先级就绪态的任务
  • 不含时间片的抢占式调度
    • 调度器转换新任务只有两种可能：高优先级任务就绪抢占，运行状态任务阻塞或者暂停
  • 协同调度
    • 只有运行态任务阻塞或者使用taskYIELD进行任务让步，才会发生切换

队列管理

• FreeRTOS通过复制实现队列的方式，优点是可以直接发送栈变量到队列，不需要先分配缓冲区存放数据，发送和接收任务完全脱钩，复制实现队列不妨碍引用实现队列。

• **多任务访问：**队列本身就是对象，可以被任意个任务或者ISR访问

• 队列读取、写入阻塞：

  • 当任务从队列读取或者写入数据时，可以选择性阻塞时间，当阻塞状态接收到数据或者阻塞时间超时，任务都会转移到就绪状态。
  • 如果有多个任务等待队列数据，只会有一个任务会解除阻塞，最高优先级先解除，相同优先级则等待时间最长的先解除

• **队列创建：**xQueueCreate

• **队尾插入：**xQueueSendToBack

• **队首插入：**xQueueSendToFront

• **队列接收：**xQueueReceive

• **数据量查询：**uxQueueMessagesWaiting

• 从多个来源接收数据：

  • 简单：可以使用队列传输结构体，结构体包含来源和数据

• 处理大数据和可变大小数据：最好使用队列传输数据的指针

  • 被指向的RAM的所有者必须明确定义
  • 被指向的RAM保持有效

• **队列集：**能够从多个来源接收数据，但比结构体方法更繁琐效率更低

  • 创建队列集
  • 队列添加队列集
  • 队列集读取数据

• **队列集创建：**xQueueCreateSet

• **队列添加队列集：**xQueueAddToSet

• **队列集读取队列：**xQueueSelectFromSet

• **队列集移除队列：**xQueueRemoveFromSet

• ***队列创建邮箱：***邮箱用来指长度为1的队列

  • 队列将数据从一个任务发送到另一个任务，发送者放置数据，接收者读取后移除数据
  • 邮箱将数据从一个任务发送到另一个任务，发送者放置新数据并覆盖原数据，接收者读取数据并不移除

• **发送并覆盖邮箱数据：**xQueueOverwrite

• **接收并不移除数据：**xQueuePeek

软件定时器

• **软件定时器回调函数形式：**void ATimerCallback(TimerHandle_t xTimer)
  • 回调函数应该短小精悍，不能阻塞
  • 可以多个定时器使用同一回调函数，但是需要在函数里判断定时器句柄
  • 也可以每个定时器使用不同回调函数
• **定时器周期：**指从启动软件定时器到执行软件定时器回调函数之间的时间
  • 一次性定时器：只执行一次回调函数
  • 自动重载：到期后自动重启，回调函数周期执行
  • 到期时间是从发送“启动定时器”命令到定时器命令队列的时间开始计算，而不是守护任务从命令队列收到“启动定时器”命令的时间开始计算的
• 定时器状态：
  • 休眠：休眠的定时器存在，可以通过句柄调用，回调函数不会执行
    • xTimerCreate创建后就是休眠状态
    • 运行转休眠，
  • 运行：到规定的周期时间，自动执行回调函数
    • 调用xTimerStart，xTimerReset，xTimerChangePeriod都可以转换为运行态
• RTOS守护任务
  • 在调度器启动时自动创建，优先级和栈大小由常量设置
  • 软件定时器API将命令从调用函数发送到守护任务，在守护任务的“定时器命令队列”上
  • 守护任务的调度：只有当守护任务为能够运行的最高优先级时，才会处理命令和执行定时器回调函数
  • 发送到定时器命令队列的命令包含时间戳，确保启动的定时器是从发送“启动定时器”命令到定时器命令队列的时间开始计算
• **创建软件定时器：**xTimerCreate
• 启动软件定时器：xTimerStart
• **停止定时器：**xTimerStop
• **删除定时器：**xTimerDelete
• **定时器ID：**是一个标签值，可以随意使用，创建软件定时器时，会给ID分配初始值
  • vTimerSetTimerID，创建定时器时，会为软件定时器分配一个标识符 (ID)， 此函数更改此标识符。
  • pvTimerGetTimerID，返回分配给软件计时器的 ID
• **更改软件定时器周期：**xTimerChangePeriod
• **重置软件定时器：**xTimerReset

中断管理

• 任务是软件功能，和运行的硬件无关。中断是硬件功能，最低优先级的中断可以抢断最高优先级任务，反之则不可以。

• 专门用于ISR的API函数，在名称后添加FromISR，不要在ISR中调用没有后缀的函数

• **使用单独中断安全函数的缺点：**有需要在ISR中调用第三方函数，但第三方函数用了正常的FreeRTOS API函数

  • 将中断处理推迟给任务，就可以在任务中调用
  • 如果有的话，将API改为FromISR结尾的函数

• xHigherPriorityTaskWoken参数

  • 中断结束时，会回到打断处继续执行，但如果中断期间，有了更高优先级任务就绪，就应该执行更高优先级任务，而不是返回原点继续执行。如果不管的话，更高优先级任务将保持就绪状态，直到不在中断时的下一次调度器运行。

    • 切换更高优先级任务不会在中断内自动发生，设置了xHigherPriorityTaskWoken变量通知应该上下文切换
    • FromISR结尾的函数有xHigherPriorityTaskWoken变量，用于此目的，taskYIELD函数是在任务中请求任务切换的函数。
    • portYIELD_FROM_ISR是taskYIELD函数的中断版本

  • 示例代码如下:

    void vTimerISR( void * pvParameters )
    {
    	BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
        xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;
    
    
        xSemaphoreGiveFromISR( xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );
    
        /* Yield if xHigherPriorityTaskWoken is true.  The 
        actual macro used here is port specific. */
        portYIELD_FROM_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );
    }
    

• 推迟中断处理

  • 中断所需的其他处理工作通常可以在任务中运行，所以可以将中断的工作推迟到任务
  • 以下情况强烈建议推迟到任务
    • 中断所需的处理并不简单
    • 任务处理能方便执行ISR内部无法执行的操作
    • 中断处理不确定，不知道处理工作需要多长时间

• 二进制信号量：能够有效使任务和中断同步，可以认为使长度为1的队列

  • 设置推迟任务的优先级确保，该任务可以抢占系统其他任务

  • 在ISR实现中调用portYIELD_FROM_ISR，确保ISR返回到推迟中断处理任务

  • 创建二值信号量： xSemaphoreCreateBinary

  • **释放信号量：**xSemaphoreGive

  • **获取信号量：**xSemaphoreTake

• **计数信号量：**可用于资源管理，计数事件

  • **创建计数信号量：**xSemaphoreCreateCounting
  • **释放信号量：**xSemaphoreGive
  • **获取信号量：**xSemaphoreTake

• **推迟工作到守护任务：**xTimerPendFunctionCallFromISR()

• 中断程序使用队列：

  • 使用xQueueSendToFront和xQueueSendToBack的ISR版本
  • 数据到达频率很高，队列效率不高
  • 更高效且适合生产代码方法：
    • 直接内存访问DMA
    • 接收到的字符复制到线程安全的RAM缓冲区
    • 直接在ISR内处理接收到的字符，队列只发送处理结果

• 中断嵌套

  • 数字优先级和逻辑优先级：数字是分配给中断优先级的数字，逻辑是描述该中断相较于其他中断的优先级
  • configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，低于此优先级中断可以被管理
  • configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY，设置滴答中断的优先级，最低优先级
  • 对时间精度要求非常严格的功能，可以考虑使用高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的优先级
  • 必须始终configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY设置为尽可能最低的中断优先级
  • configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的数值要注意，如cortex-m不允许设置为0

资源管理

• 资源访问导致数据损坏的例子：A任务打印hello，A打印到he，B任务抢占A，打印abort，最终结果就是heabortllo。这是不正确的。

• **函数重入：**函数可以安全的在多个任务调用，或既可以从中断也可以在任务使用，那么函数就是重入，也称作线程安全。每个任务都维护自己的栈和硬件寄存器值，除了访问栈上的数据或保存至寄存器的数据外，不访问其他数据，就是重入函数。

• **相互排斥：**任务之间共享的资源进行访问时，必须使用相互排斥进行管理。使资源不被共享，被单一程序访问。

• **临界区：**taskENTER_CRITICAL和taskEXIT_CRITICAL成对使用。FROM_ISR版本的taskENTER_CRITICAL会有返回值，返回值要传递给taskEXIT_CRITICAL。

  • 工作原理是禁用中断，即禁用所有可以管理的中断
  • 临界区必须短小，否则对中断响应产生不利响应
  • 临界区的嵌套是安全的，Freertos中两个宏定义是改变中断使能状态唯一合法方式

• **暂停调度器：**如果临界区代码过长，可以使用暂停调度器，但恢复调度器操作较慢

  • vTaskSuspendAll，暂停调度器
  • xTaskrResumeAll，恢复调度器

• **互斥量：**特殊的二进制信号量，获取后必须归还，归还后别的任务才能获取，否则可能死锁。

  • 创建互斥量：xSemaphoreCreateMutex
  • 获取互斥量：xSemaphoreTake
  • 释放互斥量：xSemaphoreGive

• 互斥量和优先级密切相关的概念

  • **优先级反转：**优先级高的任务等待优先级低的任务释放互斥量，仔细思考资源访问尽量避免。
  • **优先级继承：**为了解决互斥量产生的优先级反转，rtos会将持有者的优先级提高至与等待互斥量的任务优先级相同，即继承优先级，归还后优先级恢复原状。不能在中断中使用互斥量。
  • **死锁：**两个任务都在等待对方持有的资源而无法继续，充分考虑系统，识别并消除。
  • **递归互斥量：**当任务获取了互斥量，但执行过程中有函数继续获取互斥量，导致自己锁死自己。
    • 使用递归互斥量来避免，可以被同一任务多次获取，接着执行调用归还后，才能归还。类似成对使用。
    • 创建递归互斥量：xSemaphoreCreateRecursiveMutex
    • 获取递归互斥量：xSemaphoreTakeRecursive
    • 释放递归互斥量：xSemaphoreGiveRecursive

• 互斥量和任务调度

  • 不同优先级任务获取同一互斥量，优先级高的任务先进入运行状态。

  • 如果A，B任务优先级相同，A先获取了互斥量，等到时间片结束切换B，接着回A，释放互斥量，再等到时间片结束，B才能运行

    • 推荐的更平等处理时间的例子

    • // 记录时间
      Xtime = xTaskGetTickCount();
      // 释放互斥量
      xSemaphoreGive
      // 滴答计数变化时，调用切换
      if(xTaskGetTickCount() != Xtime)
      {
      	taskYIELD();
      }
      

• 守门人任务：指对任务拥有唯一所有权的任务，其他需要访问资源的任务只能通过守门人任务。

  • 方法简单，基本没有反转和死锁风险

事件组

• 事件组的特性：

  • 允许任务阻塞状态下等待一个或多个事件组合发生
  • 事件组会解除所有在等待同一个事件或事件组合的任务的阻塞
  • 通常可以用一个事件组代替多个二进制信号量

• 事件组标志是一个布尔值，每一位都代表一个事件是否发生

  • configUSE_16_BIT_TICKS为1，则事件组为16位，但其中的高八位保留，即包含8个可用事件位
  • configUSE_16_BIT_TICKS为0，则事件组为32位，但其中的高八位保留，即包含24个可用事件位

• **事件组创建：**xEventGroupCreate

• **事件组位设置：**xEventGroupSetBits

• **读取事件组位：**xEventGroupWaitBits

• **多任务事件组相互同步：**xEventGroupSync

任务通知

• 任务通知允许任务之间交互，不要单独的通信对象。通过任务通知，任务或ISR可以直接向接收任务发送事件。

• 通常用来替代二值信号量

• 优势与劣势：

  • 任务通知比队列、信号量等操作快得多
  • 所需RAM也要小的多
  • 无法向ISR发送事件和数据
  • 无法启用多个接收任务
  • 无法缓冲多个数据项
  • 无法向多个任务广播
  • 无法在阻塞状态等待发送完成

• **发送任务通知：**xTaskNotify

• **发送任务通知的简单版：**xTaskNotifyGive

• **接收任务通知：**xTaskNotifyWait

• **接收任务通知的简单版：**ulTaskNotifyTake

低功耗支持

• **与节能有关的宏：**portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP

开发者支持

• **断言：**cofigASSERT
• **任务状态信息快照：**uxTaskGetSystemState，比较重要的信息主要有
  • 到目前为止分配给任务的总运行时间
  • 任务剩余的最小堆栈空间量
• **提供可读的任务信息ASCII表格：**vTaskList
  • 很耗费CPU，仅用于调试阶段
• **将运行时统计信息格式化为可读表格：**vTaskGetRunTimeStats
  • 很耗费CPU，仅用于调试阶段
  • 还需要实现一个计数器

故障排除

• 演示工程添加任务导致演示工程崩溃
  • 延时工程的堆空间很精确，没有足够的堆空间
• 中断使用API导致应用崩溃
  • 使用FROM_ISR结尾的API函数
• 有时应用程序在中断服务程序中崩溃
  • 中断是否导致了栈溢出
• 调度器启动第一个任务时崩溃
  • 有些处理器启动调度器哦i之前必须处于特权模式
  • 确保移植没问题，中断处理程序没问题
• 应用程序在调度器启动前崩溃
  • 启动前不允许上下文切换
• 调度器暂停或者临界区调用API函数，导致应用程序崩溃
  • 调度器暂停不能调用API函数
  • 临界区内不能调用API函数