FreeRTOS学习记录
2024-12-28 16:06:32 # 嵌入式 #学习

FreeRTOS就是为了复杂流程而生的。

契机

参加了机赛，自动分拣项目需要一个复杂的流程。代码实在不是很优雅。想到了现在熟视无睹的FreeRTOS，或许能发挥点作用呢，于是潜心学习去了。

资源

我是通过一下几个渠道学习的。之前看过一个csdn的教程，上来就解释一堆宏和函数用法，着实看不懂。
我觉得最舒服的学习方法是：

有了需求之后，结合自己的需求去看官方的文档和推荐的资料
看的不用很细，详略得当地看，应用时再来细细研究
同时可以从别人的项目那里看实际应用例子，充实自己的认知

官方网站
掌握FreeRTOS文档
csdn上的一些项目

关于发行和堆

对于FreeRTOS的移植，因为CubeMX里面已经移植了FreeRTOS了，所以不是很有必要去深究。
但是可以关注的是config.h，来开关一些功能。
值得注意的是CubeMX所采用的是CMSIS OS的版本，对FreeRTOS进行了封装，这就是为什么osDelay和vTaskDelay是同一个东西的原因。
至于heap的内存管理，我只知道heap4是最好用的版本。

任务

在死循环里放你想执行的任务，配合各种事件来做出相应，如队列，信号量，事件组等

任务状态

阻塞：等待事件（时间事件也算，如Delay）到达，激活后切成就绪
挂起：用resume来恢复
就绪：根据优先级来判断是否运行
运行：就是运行

时间测量和Delay

设置FreeRTOS的时候，一般会开一个用定时器作为滴答时间测量的，相当于生产时间戳，Delay就是通过这个实现的
每一个滴答间隔之间都有一个滴答中断，来决定下一个滴答运行哪个任务
延时函数一种是vTaskDelay，另一种是vTaskDelayUntil，区别大概是后者更精确吧，这个有待了解

调度方式

时间分片：相同优先级的在相邻滴答周期交替进行
抢占式：FreeRTOS的灵魂

优先级

可以通过函数改变自身或通过句柄他人的优先级

相关函数

任务函数本身
创建函数
删除函数
延时函数
优先级相关函数


队列

作为在堆的一个内核对象，它复制数据到堆里，负责任务间传输数据
问题来了，为啥不用extern呢

发送与接收

结合优先级，写入和读取各有阻塞，可以实现一些有意思的操作。

如读取任务优先级高于写入任务，则可以保证队列里只有一个数据，因为一写入，接受任务就会抢占，读取并删除数据，这时进入阻塞状态，等待写入任务发送数据。
交换优先级可以让队列永远是满的。
如果有两个发送任务优先级相等，而接受任务高于他俩，则会交替发送，一发完就接受。

结合上述知识，队列可以帮助实现流程中的任务间数据转移，或任务“通知”。

多源和指针

可以通过发送结构体（包含id和数据）来让接受任务区分是哪个发送者发出的。
可以通过发送指针，来发送不同类型和长度的数据

队列集

这个可以看成是多源和指针的高级加强版，可以有信号量和队列两种元素在队列集里面。
这有一个很实用的例子：

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/* 从中接收字符指针的队列句柄。 */
QueueHandle_t xCharPointerQueue;

/* 接收 uint32_t 值的队列句柄。 */
QueueHandle_t xUint32tQueue;

/* 二进制信号量的句柄。 */
SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore;

/* 两个队列和二进制信号量所属的队列集。 */
QueueSetHandle_t xQueueSet;

void vAMoreRealisticReceiverTask( void *pvParameters )
{
QueueSetMemberHandle_t xHandle;
char *pcReceivedString;
uint32_t ulRecievedValue;
const TickType_t xDelay100ms = pdMS_TO_TICKS( 100 );

    for( ;; )
    {
        /* 在队列集中阻塞最长100毫秒，以等待队列集中的一个成员包含数据。*/
         xHandle = xQueueSelectFromSet( xQueueSet, xDelay100ms);

         /* 测试从 xQueueSelectFromSet() 返回的值。如果返回值为空，则对 
         xQueueSelectFromSet() 的调用超时。如果返回值不为空，则返回值将是集合成员之一的句柄。
         QueueSetMemberHandle_t 值可以转换为 QueueHandle_t 或 SemaphoreHandle_t。是否需
         要显式转换取决于编译器。 */

         if( xHandle == NULL )
         {
             /* 对 xQueueSelectFromSet() 的调用超时。 */
         }
         else if( xHandle == ( QueueSetMemberHandle_t ) xCharPointerQueue )
         {
             /* 对 xQueueSelectFromSet() 的调用返回了接收字符指针的队列句柄。从队列中读取。已
             知队列包含数据，因此使用阻塞时间 0。*/
             xQueueReceive(xCharPointerQueue, &pcReceivedString, 0 );

             /* 这里可以处理接收到的字符指针... */
         }
         else if( xHandle == ( QueueSetMemberHandle_t ) xUint32tQueue )
         {
             /* 对 xQueueSelectFromSet() 的调用返回了接收 uint32_t 类型的队列句柄。从队列中
             读取。已知队列包含数据，因此使用 0 的阻塞时间。 */
             xQueueReceive(xUint32tQueue, &ulRecievedValue, 0 );

             /* 接收到的值可以在这里处理... */
         }
         else if( xHandle == ( QueueSetMemberHandle_t ) xBinarySemaphore )
         {
             /* 对 xQueueSelectFromSet() 的调用返回了二进制信号量的句柄。现在拿旗语。信号量已知
             可用，因此使用 0 的阻塞时间。*/
             xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, 0 );

             /* 获取信号量时需要的任何处理都可以在这里执行... */
         }
     }
 }

邮箱

这只是仅有单个数据的队列。
但是使用不同的函数让数据不会被读完删除，而是只读，写入覆盖这样。

相关函数

队列创建函数
发送到头或尾的函数
接收函数
返回队列项目数的函数
队列集创建，加入，择取
覆写，只读不删函数


定时器

定时器由一个回调函数和定时器实例（包括定时器命令队列，守护进程任务）组成。
具体机制是：发出定时器命令（如开启，重置等）到命令队列里面，守护进程任务会检查这个队列，并执行相应的回调函数。
守护进程任务的优先级最好设置的高一点，虽然较低也不会影响它执行回调函数，估计是用到了滴答间隔的滴答中断来检查定时器列表。

特性

可以运行和休眠
有单次和周期性定时器
定时器有ID来辨识身份
可以手动改变周期或者重置

想法

底盘任务里判断是否到达指定位置：即定期检查里程误差，就可以用定时器回调和重置的功能

相关函数

创建函数
开始，停止函数
重置或改变周期函数
获取滴答计数函数
设置ID查询ID函数
回调函数


资源管理

原子操作：一种不想被打断的连续操作，就像开大时外面电话响了，你得完事才出去接吧。
专业一点，就是线程安全，访问堆栈上的变量是安全的，但是多个函数都可以访问一个全局/静态存储区里的变量是不安全的（static变量）。这个我了解不是很清楚。

临界区

基本临界区是由调用宏taskENTER_critical()和taskEXIT_CRITICAL()包围的代码区域，里面存放原子操作。
vTaskSuspendAll() 和xTaskResumeAll()挂起的是调度器，从而禁止任务切换。
临界区也有中断版本的，都中断嵌套。

互斥锁

也称为二进制信号量，MUTEXES，这个就像绝命毒师里面的话语权抱枕，拿到它的人才可以说话。
在xSemaphoreTake()获得互斥锁后，才会执行后面的代码。互斥锁必须给回去。
这会发生一个问题，叫优先级反转：高优先级的任务在等待持有互斥锁的低优先级任务。

死锁和递归互斥锁，后者解决前者，这个我之后再写。

看门人任务

这个也可以达到保护资源的目的。只有看门人任务可以直接访问资源，其他人需要通过看门人间接访问资源。可以使用队列来通知看门人任务事件到达。

滴答钩子函数

这一节多介绍了滴答钩子函数，调度器在滴答间隔马上执行这个钩子函数。所以必须要快，用ISR版的API函数。

相关函数

临界区的两个宏
挂起所有和恢复所有函数
创建，拿取，返回互斥锁函数
滴答钩子函数


中断和信号量

在中断中使用ISR这种安全的API接口

中断与任务切换

任务切换在这个文档里也有一种说法是上下文切换。
关于pxHigherPriorityTaskWoken这个参数，它决定了中断里面发生的一些事件（如发送队列）使关联的高优先级任务进入就绪状态后————会不会立马运行。设置这个参数还有些技巧，一开始得是pdFALSE，再变成pdTRUE才可以被读到。
这个参数一般在类似xSemaphoreGiveFromISR()的函数中，这个函数在下文会提到。
portYIELD_FROM_ISR的宏和pxHigherPriorityTaskWoken参数是配合使用的，调用这个宏即可进行任务切换。

信号量和中断

延迟中断处理的意思是，因为中断要尽可能短，所以设置一个任务跟在中断屁股后面给它做任务，这就需要结合上一节所说的参数和宏，和信号量Semaphore
核心思想是，先创造一个二进制信号量；然后在中断那里给出，同时唤醒高优先级任务；这个延时处理任务拿到信号量，进行处理，达到“与中断同步”的效果。

关于中断的还有好多

估计一时半会用不到，先不写了。

相关函数

一堆


事件组

特性：可以多个事件组合发生，可以在阻塞状态下等待一个事件或多个

事件组设置和等待

读取

用掩码设置和读取。

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/*"事件组中事件位的定义。 */
#define mainFIRST_TASK_BIT  ( 1UL << 0UL ) /* 事件位0，由任务设置。 */
#define mainSECOND_TASK_BIT ( 1UL << 1UL ) /* 事件位1，由任务设置。 */
#define mainISR_BIT         ( 1UL << 2UL ) /* 事件位2，由ISR设置。 */

等待

等待时是阻塞的。
等待有xWaitForAllBits和xClearOnExit的模式，且可以设置超时时间。

同步任务

可以通过事件组来同步多个任务到一个同步点。
没细看，以后写。

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