FreeRTOS操作系统

一、任务创建

创建任务可以分为动态创建、静态创建。核心区别就在于任务控制块（TCB）和堆栈的内存由谁分配。

• 动态创建xTaskCreate()内存由 FreeRTOS 在运行时自动从堆（heap）里分配。
• 静态创建xTaskCreateStatic()内存由你自己预先定义好数组，FreeRTOS 直接用，不碰堆。

1、任务栈

每个任务独立拥有的一块内存（RAM），专门用来保存该任务运行时的"现场"和临时数据。

1、任务栈里有什么：

1. 上下文（Context）：发生任务切换时，CPU 的寄存器（R0–R12、LR、PC、xPSR 等）会被自动压入该任务的栈——这就是"现场保护"。
2. 局部变量：函数里int a;这种自动变量存在栈上。
3. 函数调用链：调用函数时的返回地址、传参。
4. 中断嵌套时的现场（若在该任务运行时进中断）。

2、任务栈大小的创建

动态创建

// 第3个参数 128 = 栈深度(字数)，M3上 = 128 * 4 = 512 字节 xTaskCreate(vTask, "Task1", 128, NULL, 1, NULL); vTaskStartScheduler();

静态创建

#define TASK1_STACK_SIZE 128 //定义栈的大小 static StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE]; // static StaticTask_t Task1TCB;

2任务函数

void vMyTask(void *pvParameters) { // 可选：任务启动前的初始化 for (;;) { // 任务要循环做的事 vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 延时100ms，让出CPU } // 注意：for(;;) 永不返回，任务函数不能执行到这里 }

1、TCB

Task Control Block（任务控制块），是 FreeRTOS 用来管理每个任务的核心数据结构——相当于任务的"身份证 + 档案袋"。

TCB 里主要记了什么（FreeRTOS 源码tskTaskControlBlock结构体）

typedef struct tskTaskControlBlock { volatile StackType_t *pxTopOfStack; /* 栈顶 */ ListItem_t xStateListItem; /* 任务节点 */ StackType_t *pxStack; /* 任务栈起始地址 */ char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ]; /* 任务名称，字符串形式 */ TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延时 */ UBaseType_t uxPriority; }tskTCB; typedef tskTCB TCB_t;

2、创建任务函数

1、动态函数

BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode, // ① 任务函数名(入口地址) const char *pcName, // ② 任务名(调试用字符串) uint16_t usStackDepth, // ③ 栈深度(单位:字, 128=512字节@M3) void *pvParameters, // ④ 传给任务的参数(不用就NULL) UBaseType_t uxPriority, // ⑤ 优先级(数值越大越高) TaskHandle_t *pxCreatedTask); // ⑥ 句柄输出(可NULL,要删任务时必用) xTaskCreate(led_task, "led_task", 128, NULL, 1, &led_task_handle); // ①函数 ②名字 ③栈 ④参数 ⑤优先级 ⑥句柄地址

2、静态函数

TaskHandle_t xTaskCreateStatic( TaskFunction_t pxTaskCode, // ① 任务函数名 const char *pcName, // ② 任务名 uint32_t ulStackDepth, // ③ 栈深度(字) void *pvParameters, // ④ 参数 UBaseType_t uxPriority, // ⑤ 优先级 StackType_t *puxStackBuffer, // ⑥ 你提供的栈数组 TCB_t *pxTaskBuffer); // ⑦ 你提供的TCB xTaskCreateStatic(vMyTask, "T1", 128, NULL, 1, xStack, &xTCB); // ①函数 ②名 ③栈 ④参数 ⑤优先级 ⑥栈数组 ⑦TCB地址

二、任务调度

FreeRTOS 决定"这一刻该让哪个任务占用 CPU"的机制。它是 RTOS 的"大脑"。

1. 调度核心原则：优先级抢占

• 每个任务有优先级。
• 高优先级任务一旦就绪，立即抢走 CPU（抢占），低优先级任务马上暂停。
• 同优先级之间用时间片轮转（默认每个 tick 切换一次，让大家轮流跑）。

2. 任务的 4 种状态

• 就绪：能跑，等 CPU。
• 运行：正在跑。
• 阻塞：在等延时/事件（vTaskDelay、ulTaskNotifyTake），主动让出 CPU→ 别的任务趁机跑。
• 挂起：vTaskSuspend()强制停，需显式恢复。

任务调度 = 按"优先级抢占 + 同优先级时间片"规则，在 SysTick/PendSV 驱动下，不断保存旧任务现场、恢复新任务现场，让多个任务"看起来同时跑"。

三、任务切换

把 CPU 从「任务 A」交给「任务 B」时，保存 A 的现场、恢复 B 的现场的过程。调度决定"切谁"，切换负责"怎么切"。

1. 切换 = 换一套寄存器现场CPU 只有一套寄存器（R0~R15、xPSR）。任务 A 跑的时候这些寄存器里是 A 的数据。要让 B 跑，必须：

• 保存：把 A 的寄存器值存进 A 的任务栈（之前pxPortInitialiseStack摆好的那片）。
• 恢复：从 B 的任务栈把 B 的寄存器值弹回 CPU。
• 切换瞬间完成，B 就像"从来没被打断过"一样继续跑

2、两个栈指针：MSP vs PSP

• MSP（主栈）：中断/启动代码用。
• PSP（进程栈）：任务用。切换的本质就是把 PSP 指向新任务的栈顶（TCB 里的pxTopOfStack），CPU 之后就从新栈取数据。

3、

切换触发 + 执行位置（关键）切换不在 SysTick 里直接做，而在PendSV 中断里做：

SysTick中断 → 判断需要切换? → 挂起PendSV(请求切换) ↓ (SysTick返回) PendSV中断 → 真正做上下文切换(保存A/恢复B) ← 切换在这里发生 ↓ 返回线程模式, 运行任务B

为什么绕一层 PendSV？因为 SysTick 可能被更高优先级中断打断，把真正的切换放到最低优先级的 PendSV，能保证切换完整、不被撕裂。

任务切换 = 在 PendSV 里把旧任务寄存器现场压进旧栈、从新栈恢复新任务现场、并把 PSP 指向新栈，从而无缝交接 CPU

四、任务间通信

FreeRTOS 任务之间传数据/通信，主要有6 种机制

① 全局变量（最朴素，但需注意）

int g_shared = 0; // 任务A写、任务B读

• 简单，但不是线程安全的：多任务同时读写会竞争。
• 适合：只读标志位、或配合临界区/关中断保护。

② 队列 Queue（最常用，正经传数据）

QueueHandle_t xQ = xQueueCreate(10, sizeof(int)); // 长度10,每项int // 任务A发 int val = 123; xQueueSend(xQ, &val, portMAX_DELAY); // 任务B收(阻塞等) int got; xQueueReceive(xQ, &got, portMAX_DELAY);

• 线程安全，内部已加保护；可传任意结构体。
• 适合：传传感器数据、命令包等。

任务通知 Task Notification（最轻量）

// 发送方(com_task) xTaskNotifyGive(power_task_handle); // 发"通知" // 接收方(power_task) uint32_t res = ulTaskNotifyTake(pdTRUE, 10000); // 阻塞等,超时10s if(res != 0) { /* 收到通知,执行关机 */ }

• 每个任务自带一个 32 位通知值，比队列快、省内存。
• 缺点：只能一对一（一个通知只能指定一个目标任务）。

④ 信号量 Semaphore（用于"同步/资源计数"）

SemaphoreHandle_t xSem = xSemaphoreCreateBinary(); xSemaphoreGive(xSem); // 释放 xSemaphoreTake(xSem, portMAX_DELAY); // 获取(阻塞)

• 二值信号量：事件通知（类似单次通知）。
• 计数信号量：资源池（如缓冲区空位数量）。
• 只传"有/无"状态，不传具体数据。

⑤ 互斥量 Mutex（保护共享资源）

SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex(); xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY); // 访问共享资源(如 LCD、全局结构体) xSemaphoreGive(xMutex);

• 解决"全局变量竞争"问题，带优先级继承（防优先级反转）。
• 和信号量区别：互斥量必须"谁拿谁放"，用于保护资源而非传信号。

⑥ 事件组 Event Group（一对多/多事件组合）

EventGroupHandle_t xEv = xEventGroupCreate(); xEventGroupSetBits(xEv, BIT_0); // 置位 xEventGroupWaitBits(xEv, BIT_0|BIT_1, pdTRUE, pdTRUE, ...); // 等多个事件

• 一个变量里多个位，可等"任意一个/全部"事件发生。
• 适合：多事件组合触发。

五、任务同步

1、为什么要同步

多任务"并行"运行时，任务间需要协调：等某个事件发生、共享资源不被同时改写、多个条件都满足再执行。同步机制就是解决"何时能继续"和"数据不被破坏"的问题。

2、主要同步机制

信号量（Semaphore）

• 二值信号量：只有 0/1 两种状态，常用于任务与中断/任务间的事件通知（同步，不保护资源）。

SemaphoreHandle_t xSem; // 任务A：等事件 xSemaphoreTake(xSem, portMAX_DELAY); // 阻塞等待 // 事件到了，往下执行 // 中断/任务B：触发事件 xSemaphoreGiveFromISR(xSem, &pxHigher); // 中断里用 FromISR 版本

• 计数信号量：计数值 >0 表示还有资源/事件，适合"资源池"（如缓冲区数量）

互斥量（Mutex）

专门用来保护共享资源（临界区），防止多个任务同时访问。

SemaphoreHandle_t xMutex; xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY); // 进入临界区 // 操作共享变量 xSemaphoreGive(xMutex); // 离开临界区

关键点：互斥量有优先级继承机制，能缓解优先级反转问题。不能在中断里用互斥量（中断不能阻塞）。

递归互斥量（Recursive Mutex）

同一个任务可以多次获取，必须释放相同次数，适合函数递归调用共享资源。

事件标志组（Event Group）

一个变量里多个 bit，支持"等任意一个"或"等全部"，适合多事件组合触发。

// 等 bit0 和 bit1 都置位才继续 xEventGroupWaitBits(eg, BIT0|BIT1, pdTRUE, pdTRUE, portMAX_DELAY);

任务通知（Task Notification）

FreeRTOS 的轻量级机制，取代信号量做同步，更快、更省内存（每个任务自带一个通知值）。

xTaskNotifyGive(taskHandle); // 发送通知 ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY); // 等待通知