STM32实时操作系统（RTOS）入门：FreeRTOS和μC_OS-II实战解析

 # 1. 实时操作系统的基础** 实时操作系统（RTOS）是一种专为嵌入式系统设计的操作系统，它能够保证系统在特定时间内对事件做出响应。RTOS的主要特点包括： - **实时性：**RTOS能够在可预测的时间内响应外部事件，确保系统在指定的时间范围内执行任务。 - **并发性：**RTOS允许多个任务同时执行，提高了系统的效率和吞吐量。 - **确定性：**RTOS能够保证任务在指定的时间内执行，不会出现不可预测的延迟。 # 2. FreeRTOS深入剖析** **2.1 FreeRTOS的架构和调度机制** **2.1.1 FreeRTOS的任务和队列** FreeRTOS是一个基于任务的实时操作系统，任务是FreeRTOS中的基本执行单元。任务可以看作是一个无限循环，它不断执行自己的代码，直到任务完成或被其他任务抢占。 FreeRTOS中的队列是一种同步机制，用于在任务之间传递数据。队列是一个先进先出（FIFO）的数据结构，任务可以通过队列发送和接收数据。 **2.1.2 FreeRTOS的调度算法** FreeRTOS使用优先级调度算法来调度任务。每个任务都有一个优先级，优先级高的任务比优先级低的任务具有更高的执行权。当有多个任务处于就绪状态时，FreeRTOS会选择优先级最高的任务执行。 **2.2 FreeRTOS的编程技巧** **2.2.1 FreeRTOS任务的创建和管理** 创建任务需要调用`xTaskCreate()`函数，该函数的参数包括任务函数指针、任务名称、任务堆栈大小、任务参数和任务优先级。 ```c void vTaskCode(void *pvParameters) { // 任务代码 } int main(void) { // 创建任务 xTaskCreate(vTaskCode, "Task1", 128, NULL, 1, NULL); // 启动调度器 vTaskStartScheduler(); return 0; } ``` **2.2.2 FreeRTOS同步和通信机制** FreeRTOS提供了多种同步和通信机制，包括： * **互斥量（Mutex）：**用于保护共享资源，防止多个任务同时访问。 * **信号量（Semaphore）：**用于限制任务对资源的访问，当资源可用时释放信号量。 * **队列（Queue）：**用于在任务之间传递数据。 * **事件组（Event Group）：**用于通知任务发生特定事件。 **2.2.3 FreeRTOS的内存管理** FreeRTOS使用动态内存分配算法来管理内存。任务的堆栈和数据区都是动态分配的。FreeRTOS提供了`pvPortMalloc()`和`vPortFree()`函数用于分配和释放内存。 **表格：FreeRTOS的内存管理函数** | 函数 | 描述 | |---|---| | `pvPortMalloc()` | 分配内存 | | `vPortFree()` | 释放内存 | **代码块：使用FreeRTOS分配内存** ```c // 分配100字节的内存 void *ptr = pvPortMalloc(100); // 释放内存 vPortFree(ptr); ``` **mermaid流程图：FreeRTOS任务调度流程** ```mermaid graph LR subgraph 任务调度流程 A[任务就绪] --> B[选择优先级最高的任务] B --> C[执行任务] C --> D[任务完成或被抢占] D --> A end ``` # 3. μC_OS-II深入剖析 ### 3.1 μC_OS-II的架构和调度机制 #### 3.1.1 μC_OS-II的任务和队列 μC_OS-II是一个基于优先级的抢占式实时操作系统，它将系统中的任务组织成一个优先级队列。每个任务都有一个唯一的优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。 μC_OS-II的任务由以下数据结构表示： ```c typedef struct OS_TCB { CPU_STK *StkPtr; /* 任务堆栈指针 */ OS_PRIO Prio; /* 任务优先级 */ OS_TCB *NextPtr; /* 指向下一个任务的指针 */ OS_TCB *PrevPtr; /* 指向上一个任务的指针 */ OS_EVENT *PendEventPtr; /* 任务挂起的事件指针 */ void *MsgPtr; /* 任务消息指针 */ OS_STATE TaskState; /* 任务状态 */ CPU_STK *StkBasePtr; /* 任务堆栈基地址 */ CPU_STK *StkLimitPtr; /* 任务堆栈限制地址 */ OS_OPT TaskOpt; /* 任务选项 */ void *ExtPtr; /* 任务扩展指针 */ } OS_TCB; ``` μC_OS-II的队列是一个先进先出（FIFO）的数据结构，用于在任务之间传递消息。队列由以下数据结构表示： ```c typedef struct OS_Q { void **DataPtr; /* 消息队列 */ OS_PRIO QPrio; /* 消息队列优先级 */ OS_Q *NextPtr; ```