FreeRTOS 是一个流行的实时操作系统（RTOS），用于在各种硬件平台上支持高并发性和可预测的行为。在深入了解 FreeRTOS 的核心概念之前，首先需要了解微控制器（microcontroller）和嵌入式系统（embedded system）的基础知识。下面将详细介绍 FreeRTOS 的核心概念，包括任务（Task）、中断（Interrupt）、队列（Queue）、信号量（Semaphore）和互斥锁（Mutex），以及其他核心概念。
1. 任务（Task）
任务是 FreeRTOS 中的基本执行单元，可以理解为程序中的独立线程。每个任务都有自己的优先级，并且可以分配给不同的处理器核心。在 FreeRTOS 中，任务通过调用 vTaskCreate() 函数创建，通过 vTaskStartScheduler() 函数启动。任务可以通过参数传递给创建它的任务，以便实现特定的功能。任务调度器（Scheduler）负责根据优先级调度各个任务，并确保它们按照预期运行。
示例代码：
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
void vTaskFunction( void * pvParameters )
{
/* 任务代码 */
}
int main( void )
{
xTaskCreate( vTaskFunction, "TaskName", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, NULL );
vTaskStartScheduler();
return 0;
}
2. 中断（Interrupt）
中断是 FreeRTOS 中的重要概念之一。当硬件设备发出中断请求时，中断处理程序（Interrupt Service Routine, ISR）会被执行，以响应中断事件。ISR 可以被视为特殊类型的任务，它具有很高的优先级，能够在任何其他任务中处理硬件相关的中断事件，如定时器溢出、串口接收到数据等。在 FreeRTOS 中，中断处理程序的执行时间应该尽可能短，以避免延迟其他任务的执行。
示例代码：
#include "FreeRTOS.h"
#include "portmacro.h"
void vISR( void ) interrupt 5
{
/* 中断处理代码 */
}
3. 队列（Queue）
队列是 FreeRTOS 中用于在不同任务之间传递数据的重要机制之一。队列允许一个任务将数据放入队列中，而另一个任务可以从队列中取出数据。这种通信机制可以实现不同任务之间的协同工作。队列的创建和操作可以通过 FreeRTOS 的 API 函数进行，如 xQueueCreate()、xQueueSend() 和 xQueueReceive()。通过合理使用队列，可以实现数据的安全传输，避免不同任务之间的竞争条件。
示例代码：
#include "FreeRTOS.h"
#include "queue.h"
QueueHandle_t xQueue;
void vTaskFunction1( void * pvParameters )
{
/* 创建队列 */
xQueue = xQueueCreate( 10, sizeof( int ) );
/* 发送数据到队列 */
int value = 42;
xQueueSend( xQueue, &value, portMAX_DELAY );
}
void vTaskFunction2( void * pvParameters )
{
/* 接收数据从队列 */
int value;
if( xQueueReceive( xQueue, &value, portMAX_DELAY ) )
{
/* 处理接收到的数据 */
}
}
4. 信号量（Semaphore）
信号量是用于保护共享资源的另一种机制。它是一个计数器，用于控制对共享资源的访问权限。信号量的值表示可用资源数量，当一个任务使用资源时，信号量的值会减一；当任务释放资源时，信号量的值会加一。当信号量的值为零时，表示资源不可用；当信号量的值大于零时，表示资源可用。通过使用信号量，可以实现多个任务之间的同步和协同工作，避免发生竞争条件。在 FreeRTOS 中，信号量的创建、分配和释放可以使用 API 函数如 xSemaphoreCreateBinary()、xSemaphoreTake() 和 xSemaphoreGive() 进行操作。以下是一个使用信号量的代码示例：
#include "FreeRTOS.h"
#include "semaphore.h"
SemaphoreHandle_t xSemaphore;
void vATask( void * pvParameters )
{
/* 创建信号量 */
xSemaphore = xSemaphoreCreateCounting( 10, 0 );
if( xSemaphore != NULL )
{
/* 使用信号量 */
for( ;; )
{
/* 获取信号量 */
if( xSemaphoreTake( xSemaphore, ( TickType_t ) 10 ) )
{
/* 使用共享资源 */
/* ... */
/* 释放信号量 */
xSemaphoreGive( xSemaphore );
}
else
{
/* 未能获取信号量，可能超时或信号量计数为0 */
/* ... */
}
}
}
}
在这个例子中，我们创建了一个计数信号量，最大计数值为10。任务会尝试获取信号量，如果成功，就可以使用共享资源，然后释放信号量。如果获取信号量失败（可能是因为超时或者信号量的计数值已经为0），那么任务就不能使用共享资源。这种机制可以保护共享资源，避免多个任务同时访问，造成数据不一致。
5. 互斥锁（Mutex）
互斥锁是一种特殊的信号量，用于保护共享资源的访问。与信号量不同的是，互斥锁只能被一个任务持有，而且不能被多个任务同时持有。当一个任务获得互斥锁时，其他任务将被阻塞，直到该任务释放互斥锁。在 FreeRTOS 中，互斥锁的创建、分配和释放可以使用 API 函数如 xMutexCreate()、xMutexTake() 和 xMutexGive() 进行操作。通过使用互斥锁，可以实现不同任务对共享资源的独占访问，避免同时访问共享资源造成的数据不一致性。
示例代码：
#include "FreeRTOS.h"
#include "mutex.h"
MutexHandle_t xMutex;
void vTaskFunction1( void * pvParameters )
{
/* 创建互斥锁 */
xMutex = xMutexCreate();
/* 获取互斥锁 */
if( xMutexTake( xMutex, portMAX_DELAY ) )
{
/* 持有互斥锁，独占共享资源 */
/* 处理共享资源 */
}
/* 释放互斥锁 */
xMutexGive( xMutex );
}
void vTaskFunction2( void * pvParameters )
{
/* 获取互斥锁 */
if( xMutexTake( xMutex, portMAX_DELAY ) )
{
/* 持有互斥锁，独占共享资源 */
/* 处理共享资源 */
}
/* 释放互斥锁 */
xMutexGive( xMutex );
}
其他核心概念
- 事件组（Event Group）：事件组是 FreeRTOS 中的一个机制，用于同步和通知任务。事件组可以包含多个位，每个位可以独立地设置或清除。任务可以等待一个或多个事件位的信号，当事件位被设置或清除时，等待的任务将被通知。通过使用事件组，可以实现更复杂的多任务同步和通信。
- 软件定时器（Software Timer）：软件定时器是 FreeRTOS 中的一个机制，用于在指定的时间间隔后执行一个任务或回调函数。与定时器不同，软件定时器是在任务调度器中实现的，因此可以在任何任务上下文中执行定时器回调函数。通过使用软件定时器，可以实现定时触发、周期性触发或延时触发的功能。
- 内存管理（Memory Management）：FreeRTOS 提供了一套内存管理机制，用于分配和管理任务使用的堆栈和堆内存。FreeRTOS 的内存管理机制包括动态内存分配、内存池管理、栈溢出检测等功能，以确保任务的正确运行和避免内存泄漏。
- 调度策略（Scheduling Policy）：FreeRTOS 提供了一些调度策略，用于控制任务的优先级和调度行为。FreeRTOS 支持的调度策略包括轮转调度（Round-Robin Scheduling）、抢占式调度（Preemptive Scheduling）和非抢占式调度（Non-Preemptive Scheduling）。调度策略的选择取决于应用程序的需求和特定的硬件平台。
