FreeRTOS 介绍

1. 学RTOS的作用

基础的单片机编程通常都是指裸机编程，即不加入任何 RTOS（Real Time Operating System 实时操作系统），但是处理的工作多了后，裸机开发就会很困难，所以需要使用RTOS。

RTOS 通常比通用操作系统体积更小、重量更轻，因此 RTOS 非常适用于 内存、计算和功率受限的设备。

1.1 裸机与RTOS对比

裸机的工作流程如下，在裸机系统中，所有的操作都是在一个无限的大循环里面实现, 支持中断检测，中断发生后会优先处理中断，同时中断也具有优先级，这里默认大家有这个知识基础，不再赘述。

RTOS的工作流程如下。在多任务系统中，根据程序的功能，把这个程序主体分割成一个个独立的，无限循环且不能返回的子程序，称之为任务。每个任务都是独立的，互不干扰的，且具备自身的优先级，它由操作系统调度管理。加入操作系统后，开发人员不需要关注每个功能模块之间的冲突，重心放在子程序的实现。

而任务之间的切换，称为调度, 调度器是内核中负责决定在特定时间应执行什么任务的部分。大家可以在网上自行查阅。

可以发现，其实两者工作流有相似之处，但是加入RTOS后，开发人员开发更加便捷。

1.2 RTOS构成关键要素

1. 内核：作为RTOS的核心组件，内核负责任务调度、上下文切换以及系统资源的管理。它实现了定时任务处理、优先级调度机制和中断响应等功能，是整个操作系统运行的基础。

2. 任务：在RTOS中，任务是最基本的独立执行单元，通常表现为线程、进程或可并发运行的一段代码。多个任务可以在系统中同时存在，并由内核进行统一调度与管理。

3. 调度算法：调度算法决定了任务的执行顺序和时间，是RTOS实现高效实时响应的关键。常见的调度方式包括基于优先级的抢占式调度和轮转调度（Round Robin）等。

4. 中断处理：中断机制使RTOS能够对外部事件做出快速响应。当发生中断时，系统会暂停当前任务，转而执行对应的中断服务程序。RTOS通常支持中断优先级管理，以确保高优先级事件能够被优先处理。

5. 通信机制：为了协调多个任务之间的操作，RTOS提供了多种任务间通信与同步机制，例如信号量、消息队列、事件标志组以及共享内存等，用于保障数据的一致性与任务间的有序协作。

1.3 RTOS工作示例伪代码

以下RTOS示例代码可以实现LED工作的同时，读取传感器数据。如果使用裸机开发，全部放在while(1)中，你写代码和管理将会十分痛苦。

// LED控制任务
void vTask1(void *pvParameters) {
    while(1) {
        // 切换LED状态
        toggleLED();
        // 暂停100毫秒
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

// 传感器任务
void vTask2(void *pvParameters) {
    while(1) {
        // 读取数据
        float temperature = readTemperature();
        printf("Temperature: %.2f\n", temperature);
        // 暂停500毫秒
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

int main(void) {
    // 创建任务
    xTaskCreate(vTask1, "LED Task", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vTask2, "Temp Task", 1000, NULL, 2, NULL);

    // 开始调度
    vTaskStartScheduler();
    return 0;
}