FreeRTOS内核学习笔记(基于stm32f4)

news/2025/3/18 21:18:21/文章来源:https://www.cnblogs.com/jiejielin-blogs/p/18779791

FreeRTOS内核学习

命名规则

变量：
- uint32_t 定义的变量都加上前缀 ul。 u 代表 unsigned 无符号， l 代表 long长整型
- uint16_t 定义的变量都加上前缀 us。 u 代表 unsigned 无符号，s 代表 short 短整型
- uint8_t 定义的变量都加上前缀 uc。 u 代表 unsigned 无符号，c 代表 char 字符型
- int 定义的变量加上前缀 i。i 代表 int
- stdint.h 文件中未定义的变量类型，在定义变量时需要加上前缀 x.
- stdint.h 文件中未定义的无符号变量类型，在定义变量时要加上前缀 u。
- 枚举变量会加上前缀 e
- 指针变量会加上前缀 p
- **char ** 定义的变量只能用于 ASCII 字符，前缀使用 c
- **char ** 定义的指针变量只能用于 ASCII 字符串，前缀使用 pc。
函数：
- 加上了 static 声明的函数，定义时要加上前缀 prv
- 带有返回值的函数，根据返回值的数据类型，加上相应的前缀，如果没有返回值，即 void 类型，函数的前缀加上字母 v
- 根据文件名，文件中相应的函数定义时可能会将文件名加到函数命名中，比如 tasks.c 文件中函数vTaskDelete，函数中的 task 就是文件名中的 task。
宏定义：
- 根据宏定义所在的文件，文件中的宏定义声明时也将文件名加到宏定义中，比如宏定义configUSE_PREEMPTION 是定义在文件 FreeRTOSConfig.h 里面。宏定义中的 config 就是文件名中的 config。另外注意，前缀要小写。
- 除了前缀，其余部分全部大写，同时用下划线分开。
缩进：Tab 制表符用于缩进，Tab 一次缩进 4 个字符空间。
注释：FreeRTOS 中注释不会超过 80 个字符宽度，除非对函数的参数进行注释时。源码中主要是采用/* */
的形式进行注释，不采用 C++中的双斜杠风格来注释。

堆栈

堆栈的空间均分配在RAM中

堆:cm4中堆向上生长

栈:cm4中栈向下生长

FreeRTOS创建任务使用的栈实际上使用的单片机的堆空间，实际上是在堆中开辟了一个数据结构为栈的空间。

task.c中portSTACK_GROWTH默认为-1，即先分配stack(栈空间)再分配TCB(任务控制块)

任务

任务创建流程：向堆申请任务栈空间和任务控制块，初始化相关链表，将任务加入就绪队列

同一个优先级下，共用一个链表，同一个xLIST_ITEM

函数

vTaskDelete(NULL);
- 慎用 NULL：调用 vTaskDelete(NULL); 会删除调用它的任务。这在任务完成其工作并希望自我删除时非常有用，但需要谨慎使用，以避免意外删除当前正在运行的任务。
- 资源回收：虽然任务被删除了，但是它所持有的任何同步原语（如信号量、互斥锁等）不会自动释放。你需要在删除任务之前手动释放这些资源。
- 删除阻塞任务：如果尝试删除一个处于阻塞状态的任务，那么任务将被删除，但任何等待该任务的同步原语也将被释放。
- 调度器行为：vTaskDelete() 可以影响调度器的行为。例如，如果删除了一个高优先级任务，那么调度器可能会立即调度其他任务。
- 内存碎片：在某些配置下，频繁创建和删除任务可能会导致内存碎片。在这种情况下，考虑使用静态内存分配或调整内存管理策略。
vApplicationTickHook();
- 如果要使用需要在FreeRTOSConfig.h中将configUSE_TICK_HOOK 配置为1
- 触发时机：每次系统时钟节拍中断时
- 在SysTick_Handler()中调用，中断频率高，由于它运行在时钟中断上下文中，执行时间应尽量短，以避免影响实时性和其他中断的响应,只能使用"FromISR"的函数
- 用途:
  - 计时操作：可以用来实现简单的计时功能。例如，周期性地检查某些条件或触发定时操作。
  - 监控功能：在钩子中实现某些运行时监控或统计功能，例如统计系统运行时间或检查某些状态。
  - 外设处理：处理与时钟节拍相关的外设操作（如软件定时器、周期性事件等）。
  - 节拍同步：可以用来同步其他系统组件与 FreeRTOS 的时钟节拍。
vApplicationMallocFailedHook();
- 如果要使用需要在FreeRTOSConfig.h中将configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 配置为1
- 触发时机：动态内存分配失败时
- 用途：
  - 系统重启：在内存分配失败时，可能需要系统重启或进入死循环等待外部干预。
  - 日志记录：可以将内存分配失败的信息写入日志，以便于后续调试。
  - 内存池管理：在内存管理较为复杂的系统中，可以通过此钩子进行内存池的调整或重新配置。
vApplicationIdleHook():
- 如果要使用需要在FreeRTOSConfig.h中将**configUSE_IDLE_HOOK ** 配置为1
- 触发时机：空闲任务执行时
- 用途:
  - 低功耗模式：在嵌入式系统中，空闲状态下常常进入低功耗模式以节省电池。可以在此钩子中调用 CPU 的低功耗指令，如进入休眠模式（例如 __WFI()）。
  - 周期性任务：如果系统在空闲时需要执行一些周期性的任务（如状态检查、定时任务等），可以将这些任务放在此钩子中执行。
  - 定期更新或维护：一些不频繁但必须执行的操作，例如刷新显示屏、执行系统自检等，可以放在此钩子中进行。
vApplicationStackOverflowHook();
- 如果要使用需要在FreeRTOSConfig.h中将configCHECK_FOR_STACK_OVERFLO 配置为1
- 触发时机：任务栈溢出时
- 用途：
  - 错误检测和日志记录：栈溢出是程序中的严重错误，可以通过此钩子记录错误信息、进行日志分析，或进行系统状态转储。
  - 防止系统崩溃：栈溢出通常会导致任务行为异常，调用此钩子后，可以采取重启系统、切换到安全模式或者其他恢复措施来防止系统崩溃。
  - 调试工具：在开发阶段，栈溢出钩子可以用于收集调试信息，帮助开发人员识别任务栈的大小配置问题。
vApplicationDaemonTaskStartupHook();
- 如果要使用需要在FreeRTOSConfig.h中将**configUSE_IDLE_HOOK ** 配置为1
- 触发时机：当守护任务（通常是系统初始化任务）启动时会调用此钩子。
- 用途：
  - 系统初始化：用于执行系统的初始化操作，加载必要的配置，进行硬件初始化等。
  - 启动日志：守护任务启动时，可以用此钩子启动系统的日志记录、网络连接等操作。
  - 资源分配：可以用此钩子进行外部资源（如内存、外设等）的配置。
vTaskDelay(),vTaskDelayUntil()函数
- 调用时，调度器不能处于挂起状态

状态类型

运行状态：任务正在执行，CPU 正在为该任务分配时间。
就绪状态：任务已准备好运行，等待调度器分配 CPU 时间。任务进入就绪状态通常是因为它已经满足了执行的条件，且没有被任何事件阻塞（如等待信号量、消息队列等）。
阻塞状态：任务因等待某些资源或事件（如信号量、消息队列、时间延迟等）而无法执行。任务不会被调度，直到其等待的事件或资源变得可用。
挂起状态：任务被显式挂起，不会被调度执行。挂起状态与阻塞状态的区别是任务不再等待某个资源或事件，而是被手动暂停了。
删除状态：任务被删除后，其资源（包括任务栈和任务控制块）将被释放。任务进入删除状态意味着它不再被调度，且不再存在。

任务控制块

消息队列

消息队列 是基于先进先出的队列结构，用于任务间传递消息或数据，适合较小的数据包传递，支持消息的发送与接收。

中断

信号量

二值信号量（可以在任务和中断中使用）
计数信号量（可以在任务和中断中使用）
互斥信号量（可以在任务中使用，不可以或避免在中断中使用）

事件组

主要用于多任务间的同步，与信号量不同的是，它可以实现一对多，多对多的同步。

任务通知

使用限制

任务通知方式仅可以用在只有一个任务等待信号量，消息邮箱或者事件标志组的情况。（点对点）
仅可在使用 RTOS 任务通知代替队列的情况下：当某个接收任务可在阻塞状态下等待通知（因而不花费任何 CPU 时间）时，发送任务不能在阻塞状态下等待发送完成（在发送不能立刻完成的情况下）。
只能发送给任务：通知只能发送给任务，而不能用于中断或其他任务间的同步。
使用任务通知方式实现的消息邮箱替代消息队列时，发送消息的任务不支持超时等待，即消息队列中的数据已经满

了，可以等待消息队列有空间可以存新的数据，而任务通知方式实现的消息邮箱不支持超时等待。
无法解决优先级翻转问题

用例

参考链接

FreeRTOS消息队列、信号量、事件组、任务通知之间的区别_freertos事件和消息队列的区别-CSDN博客

流缓冲区

流缓冲区 专门用于字节流的传递，适合用于处理大量连续数据的流式传输，如音频、视频、传感器数据等，支持更高效的字节数据传输。

软件定时器

低功耗

内存管理

heap_1:提前动态分配一大段内存空间，不管任务用与不用，用多少，内存占用是固定的，禁止动态分配内存,只有pvPortMalloc()，没有vPortFree()！
heap_2:允许释放内存，但不会合并相邻的空闲块，使用Best Fit，可以减少剩余空间，降低外部碎片。同时搜索时间较长，可能导致更多的内部碎片。
heap_3:简单包装了标准 malloc() 和 free()，以保证线程安全。对这两个函数进行了保护机制，采用的方式是操作内存前挂起调度器，完成后再恢复调度器
heap_4:合并相邻的空闲块以避免碎片化。包含绝对地址放置选项，使用First Fit，空闲块链表按照地址大小进行排列，而不是按照碎片大小。。
heap_5:如同 heap_4，能够跨越多个不相邻内存区域的堆。在申请内存前，它会调用vPortDefineHeapRegions，这意味着它允许内存堆跨越多个非连续区域，如果你需要同时使用内部RAM和外部SDRAM，毫无疑问，这种策略非常合适，但是用户需要指定每个内存堆的起始地址和大小。
- heap_1 不太有用，因为 FreeRTOS 添加了静态分配支持。（FreeRTOS v9.0及以上）
- heap_2 现在被视为旧版，因为较新的 heap_4 实现是首选。(heap_2 开销小，但是容易产生内存碎片，heap_4 开销大，但是能减少内存碎片)

head_4

heap_4.c使用链表进行了空闲块的管理，heap_4.c使用了链表将空闲的内存块地址进行连接
- 1）链表使用的空间哪里来呢。答：链表本身使用的空间也是来自这个大数组，链表本身和用申请的空间本身是连在一起的。
- 2）已经被申请的内存块就不会被链表管理吗？答：回答第一个问题，链表本身使用的空间也是来自这个大数组，链表本身和用申请的空间本身是连在一起的。
heap_4.c对相邻的空闲内存块进行合并处理。
- 1）空闲块在什么时候进行合并。答：空闲块在内存释放的时候变成空闲块的时候，和申请内存的时候会有新的空闲内存块，然后进行合并。
- 2）空闲块是如何进行合并的。答：如果两个空闲块都被连接进来，那么只要两个空闲块地址连接在一起就可以进行合并。
- 3）已经被申请的内存，已经不被链表进行管理，那么释放已经申请的内存是如何找到前面的空闲块的。答：释放内存时的空闲块会遍历所有链表，然后找到当前空闲块的前一个空闲块和后一个空闲块，如果地址重叠可以判定进行空闲块合并。

参考链接

FreeRTOS 堆内存管理 - FreeRTOS™

微型操作系统内核源码详解系列三（0）：空间存储及内存管理篇（前置篇）-CSDN博客

FreeRTOS Heap 1_2_3_4_5 比较 - JerryZheng2020 - 博客园

FreeRTOS系列-- heap_4.c内存管理分析_freertos heap合并-CSDN博客

链表

pxDelayedTaskList：延迟任务链表。
pxOverflowDelayedTaskList：溢出后的延迟任务链表。
pxReadyTasksLists：就绪任务链表（按优先级划分）。
xPendingReadyList：等待处理的就绪任务链表。
xSuspendedTaskList：被挂起的任务链表。
xTasksWaitingTermination：等待终止的任务链表。
pxTaskToBeDeleted：待删除任务链表。
pxIdleTaskList：空闲任务链表。
xEventList：等待事件的任务链表。
xTimerList：软件定时器链表。
pxTimerQueue：定时器队列链表。
xMutexHolderList：互斥量持有者链表。
pxQueueList：队列链表。
pxSemaphoreList：信号量链表。
pxTaskList：所有任务的链表。
xTaskStateList：任务状态链表。

杂项

使用结构体时从大到小放置变量更能节省空间

1、不同任务之间，避免在不同任务里面操作同一个外设，除非用户自己手动在底层做了互斥处理。
2、任务和中断之间，都操作同一个外设，一般需要在任务里面设置临界段，也就是开关中断。

FromISR

不能在FreeRTOS不能管理的中断中使用FreeRTOS的API

PendSV

xPortPendSVHandler()在任务切换过程中保存和恢复任务的上下文，调用 vTaskSwitchContext() 进行任务切换

进行任务切换，保存当前任务现场，执行调度，恢复下一个任务现场，执行

PendSV的优势在于它可以像普通中断一样被悬起，当其他中断都执行完毕时，它可以开始工作了，这样就不会打断其他中断了。

在 PendSV Handler 执行过程中，如果遇到更高优先级的中断被打断，那么 PendSV 之前保存的上下文会保留在栈上。中断服务例程（ISR）会在栈上进行上下文保存与恢复，ISR 处理完毕后，CPU 会根据栈中的上下文返回到 PendSV Handler，继续完成任务切换。