FreeRTOS基础知识---为什么使用FreeRTOS以及其核心功能

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目录

前言

一、裸机系统

[1.1 前后台系统：最基础的裸机架构](#1.1 前后台系统：最基础的裸机架构)

[1.2 时间片轮询系统：裸机的 "进阶版"](#1.2 时间片轮询系统：裸机的 “进阶版”)

二、FreeRTOS系统的引入

三、总结

[3.1. 裸机系统：当简单和极致性能是首选](#3.1. 裸机系统：当简单和极致性能是首选)

[3.2. FreeRTOS：当复杂度和可维护性成为刚需](#3.2. FreeRTOS：当复杂度和可维护性成为刚需)

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前言

本期博客我们讲解一下为什么使用rtos以及其核心功能，并和裸机进行区别。

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一、裸机系统

1.1 前后台系统：最基础的裸机架构

在没有 RTOS 的裸机开发中，典型的程序结构是一个大循环 while(1)，所有任务都在这个循环里顺序执行：

#include <stdint.h>

// 全局标志位
uint8_t flag1 = 0, flag2 = 0;

// 硬件初始化
void HardWareInit(void) {
    // 初始化GPIO、中断、定时器等硬件
}

// 任务函数
void run_task_1(void) { /* 任务1具体逻辑 */ }
void run_task_2(void) { /* 任务2具体逻辑 */ }
void run_task_3(void) { /* 任务3具体逻辑 */ }

// 中断服务程序1（前台）
void ISR1(void) {
    flag1 = 1;  // 仅置位标志位，不执行耗时操作
}

// 中断服务程序2（前台）
void ISR2(void) {
    flag2 = 1;  // 仅置位标志位
}

int main(void)
{
    HardWareInit(); /* 硬件相关初始化 */
    
    while(1) 
    {
        if(flag1)
        {
            run_task_1(); /* 执行任务1 */
            flag1 = 0;
        }   
        
        if(flag2)
        {
            run_task_2(); /* 执行任务2 */
            flag2 = 0;
        }

        run_task_3(); /* 持续执行任务3 */
    }
}

这种架构的优势是简单易实现、任务不丢失 ，但致命问题是实时性不可控：

• 若run_task_3执行耗时 1 分钟，即使中断 1 触发，run_task_1也需等任务 3 执行完毕才能响应；

• 若将run_task_1直接放入中断执行，又违背 "中断快进快出" 原则 ------ 耗时 1 分钟的中断会阻塞低优先级中断，甚至导致中断丢失。

1.2 时间片轮询系统：裸机的 "进阶版"

时间片轮询是裸机开发的优化方案：以定时器为核心，按预设周期轮询执行不同任务，避免 CPU 空转，是裸机中性价比极高的实现方式。

#include <stdint.h>

// 配置任务周期（单位：ms）
#define TASK1_PERIOD 100  // 任务1每100ms执行一次
#define TASK2_PERIOD 200  // 任务2每200ms执行一次

// 全局变量
uint8_t system_timer_flag = 0;
uint16_t task1_hander = 0, task2_hander = 0;

// 硬件初始化
void HardWareInit(void) {
    // 初始化定时器（1ms中断一次）、GPIO等
}

// 任务函数
void run_task_1(void) { /* 任务1具体逻辑 */ }
void run_task_2(void) { /* 任务2具体逻辑 */ }

// 中断服务程序（处理紧急事件）
void ISR1(void) {
    // 仅处理中断核心逻辑，耗时操作移交主循环
}

// 检查系统时标是否到达
uint8_t is_system_tick_arrive(void)
{
   uint8_t flag = system_timer_flag;
   system_timer_flag = 0;
   return flag;
}

// 定时器中断（1ms触发一次）
void Timer_ISR(void)
{
    system_timer_flag = 1;  // 置位时标标志位
}

int main(void)
{
    HardWareInit(); /* 硬件相关初始化 */   
    while(1) 
    {
        if(is_system_tick_arrive())  // 1ms时标到达
        {
            if(++task1_hander == TASK1_PERIOD)  // 任务1周期到
            {
                task1_hander = 0;
                run_task_1();  /* 执行任务1 */
            }
            
            if(++task2_hander == TASK2_PERIOD)  // 任务2周期到
            {
                task2_hander = 0;
                run_task_2();  /* 执行任务2 */
            }
        }
    }
}

时间片轮询优化了 CPU 利用率，但仍无法突破裸机的核心局限：

• 无优先级管理：高优先级任务（如紧急通信）会被低优先级长耗时任务阻塞；

• 响应时间不确定：若某任务执行超时（如 1ms 时间片内任务执行了 10ms），后续所有任务周期都会偏移；

• 任务同步复杂：多任务共享资源时，需手动处理数据一致性，极易出错。

二、FreeRTOS系统的引入

在上一节的基础上，若想对时间片轮询系统的固有弊端进行改进，就需要在每次进入时钟中断前，保存CPU的当前状态和当前事务用到的一些数据，然后我们进入时钟中断进行时间片处理，若发现有新的更紧急的事务的时间片到来了，则我们改变中断的返回的地址，并在CPU中恢复这个更紧急的事务的现场，然后返回中断开始执行这个更紧急的事务。

裸机系统的核心问题是 "无法高效管理多任务"，而 FreeRTOS 作为轻量级 RTOS，本质是一套 "成熟的多任务管理框架"------ 它封装了任务调度、内存管理、同步通信等底层逻辑，这就是为什么我们需要RTOS了。

作为RTOS大家庭中重要的一员，FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。其主要特性有：

轻量级和实时性 ：FreeRTOS 的内核非常小，通常只需要大约 6KB 到 12KB 的内存空间（取决于平台和编译选项），适合资源受限的系统，并且具有实时任务调度能力。
可移植性 ：FreeRTOS 支持多种处理器和编译环境，使得开发人员可以在不同的硬件平台上使用它。
丰富的 API ：FreeRTOS 提供了一套丰富的 API，开发人员可以用来创建任务、管理内存、同步任务和通信等。
可伸缩性 ：FreeRTOS 可以根据需要定制和扩展，以满足不同的系统需求。
开源和社区支持：FreeRTOS 是开源的，有一个活跃的社区提供支持。

在FreeRTOS中，根据程序的功能，把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，我们不需要关注每个功能模块之间的冲突，重心放在应用程序的实现即可。其执行框架如下图所示。

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三、总结

我们不能简单地断言 FreeRTOS 就一定比裸机系统更优秀。技术选型的核心，永远是匹配项目的具体需求。裸机系统以其极简的架构和零操作系统开销，在某些场景下是无可替代的；而 FreeRTOS 则凭借强大的多任务管理能力，成为复杂项目的不二之选。

3.1. 裸机系统：当简单和极致性能是首选

裸机系统（Bare-metal），即不依赖任何操作系统，程序直接在硬件上运行。它在以下场景中表现卓越：

• 项目规模极小：当你的产品功能非常单一，只需要执行几个线性的、顺序的任务，完全没有多任务并行的需求时，裸机是最高效的选择。例如一个简单的 LED 指示灯控制器或一个独立的按键检测模块。
• 追求极致性能与响应：裸机没有操作系统调度、内存管理等额外开销，每一条指令都直接服务于业务逻辑。这对于需要亚微级响应时间的应用，如高速电机驱动、高频信号采集等，是至关重要的。
• 硬件资源极度受限：在一些超低成本、资源极其有限的 MCU 上（如仅有几 KB RAM 和十几 KB Flash 的单片机），FreeRTOS 的内核本身就可能超出硬件的承载能力，此时裸机开发是唯一可行的道路。

3.2. FreeRTOS：当复杂度和可维护性成为刚需

FreeRTOS 作为一款轻量级实时操作系统，为我们提供了强大的工具集，在以下场景中能极大地提升开发效率和系统稳定性：

• 多任务并行处理：当你的项目需要同时处理多个相互独立的功能模块时，例如一个智能网关需要同时进行 Wi-Fi 通信、传感器数据采集、本地显示和按键响应，FreeRTOS 的任务调度器可以轻松管理这些任务，确保高优先级的任务得到及时响应。
• 动态内存与复杂数据处理：FreeRTOS 提供了完善的动态内存管理 API，这在处理网络数据包、动态生成 UI 元素或其他需要大量可变数据的场景中，能有效避免内存碎片和泄漏问题。
• 任务间的同步与互斥：当多个任务需要访问同一个共享资源（如 UART 外设、SPI 总线或一块共享内存）时，FreeRTOS 提供的互斥量、信号量、消息队列等机制，能优雅地解决数据竞争和同步问题，让代码更健壮、更易于维护。