FreeRTOS学习（三十九）——最终总结

从最开始创建一个LED任务，到现在理解任务调度、队列、信号量、任务通知、内存管理以及FreeRTOS工程架构，这个系列已经走到了最后一篇。

刚开始学习FreeRTOS时，我们面对的可能只是：

复制代码

xTaskCreate();

然后产生一个疑问：

复制代码

为什么写几个while(1)，
STM32却能让它们一起运行？

现在再回头看，FreeRTOS其实并没有那么神秘。

它做的核心事情可以概括成：

复制代码

把程序拆成多个任务
        ↓
根据优先级进行调度
        ↓
任务之间传递数据和同步
        ↓
合理管理CPU和内存资源

本节不再增加新的知识点，而是把整个系列重新串起来，形成一套完整的FreeRTOS知识框架。

一、FreeRTOS最核心的东西还是任务

我们最开始学习的是：

复制代码

xTaskCreate();

例如：

复制代码

xTaskCreate(
    LEDTask,
    "LED",
    128,
    NULL,
    2,
    &LEDTaskHandle
);

创建以后：

复制代码

LEDTask

就成为FreeRTOS管理的一个任务。

任务通常写成：

复制代码

void LEDTask(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        GPIO_ToggleBits(
            GPIOF,
            GPIO_Pin_9
        );

        vTaskDelay(
            pdMS_TO_TICKS(500)
        );
    }
}

这里最重要的并不是：

复制代码

while(1)

而是：

复制代码

vTaskDelay();

它让当前任务：

复制代码

Running
   ↓
Blocked

然后CPU可以运行其他任务。

所以学习到最后应该建立一个很重要的习惯：

写任务的时候，一定要考虑这个任务什么时候阻塞。

二、任务调度其实就是CPU在不断切换

STM32F407只有一个Cortex-M4内核。

因此：

复制代码

Task1

Task2

Task3

并不是真的同时执行。

实际过程更接近：

复制代码

Task1运行
    ↓
保存Task1现场
    ↓
Task2运行
    ↓
保存Task2现场
    ↓
Task3运行

FreeRTOS根据：

复制代码

任务优先级

任务状态

系统Tick

决定：

复制代码

下一刻CPU应该交给谁。

而STM32F407上的：

复制代码

SysTick

主要提供系统时间节拍。

复制代码

PendSV

主要负责上下文切换。

复制代码

SVC

参与启动第一个任务。

这就是我们整个任务调度体系最底层的一条主线。

三、任务之间需要传数据就想到队列

例如：

复制代码

SensorTask
采集数据
    ↓
   Queue
    ↓
UartTask
发送数据

核心函数：

复制代码

xQueueSend();

和：

复制代码

xQueueReceive();

例如：

复制代码

xQueueSend(
    SensorQueue,
    &Data,
    portMAX_DELAY
);

消费者：

复制代码

xQueueReceive(
    SensorQueue,
    &Data,
    portMAX_DELAY
);

队列不仅能够：

复制代码

传递数据

还能够：

复制代码

暂时保存数据。

所以以后遇到：

复制代码

一个任务产生数据

另一个任务处理数据

首先就可以考虑：

复制代码

Queue。

四、任务之间需要通知就考虑同步机制

不是所有情况都需要传递一大块数据。

有时候只是：

复制代码

任务A完成了

↓

告诉任务B可以开始了

这种情况下可以考虑：

复制代码

二值信号量

任务通知

例如：

复制代码

ADC采集完成
        ↓
Give
        ↓
处理任务运行

如果只是一个任务通知另一个任务：

复制代码

Task Notification

往往更加轻量。

如果需要表示：

复制代码

多个事件状态

例如：

复制代码

WiFi连接完成

传感器初始化完成

服务器连接完成

则可以考虑：

复制代码

Event Group。

所以不要看到同步就只会：

复制代码

Semaphore。

而应该根据具体需求选择合适的工具。

五、共享资源就想到互斥量

如果两个任务都要使用：

复制代码

UART

SPI

I2C

例如：

复制代码

Task1
  ↘
  UART
  ↗
Task2

就需要考虑：

复制代码

资源竞争。

这时可以使用：

复制代码

xSemaphoreCreateMutex();

访问资源：

复制代码

xSemaphoreTake(
    UartMutex,
    portMAX_DELAY
);

/* 使用UART */

xSemaphoreGive(
    UartMutex
);

互斥量解决的核心问题就是：

复制代码

这个资源我正在使用

↓

其他任务先等待。

而且FreeRTOS的Mutex还有：

复制代码

优先级继承

机制，可以降低优先级翻转带来的影响。

六、中断和任务之间要分清边界

STM32项目不可能只有任务。

还有：

复制代码

UART中断

定时器中断

外部中断

DMA中断

我们学习过一个非常重要的原则：

复制代码

中断
↓
尽量快速处理

复杂工作
↓
交给任务

例如UART收到数据：

复制代码

UART IRQ
    ↓
通知任务
    ↓
退出中断
    ↓
UartTask处理数据

在ISR中使用FreeRTOS API时，还要注意：

复制代码

FromISR

版本。

例如：

复制代码

xQueueSendFromISR();

而不是直接使用：

复制代码

xQueueSend();

这也是FreeRTOS实际工程中非常重要的一条边界。

七、FreeRTOS还需要管理RAM

FreeRTOS不是：

复制代码

任务随便创建多少都可以。

每创建一个任务，都需要：

复制代码

TCB

+

任务栈

队列、信号量等对象同样需要内存。

所以我们学习了：

复制代码

heap_1

heap_2

heap_3

heap_4

heap_5

也学习了：

复制代码

xPortGetFreeHeapSize();

检查剩余Heap。

以及：

复制代码

uxTaskGetStackHighWaterMark();

检查任务栈。

以后看到：

复制代码

程序运行一段时间HardFault

任务莫名其妙异常

除了检查代码逻辑，也应该想到：

复制代码

任务栈是不是不够？

八、一个实际FreeRTOS工程怎么设计

以后拿到一个STM32项目，不要上来就创建十几个任务。

可以先把功能列出来。

例如：

复制代码

传感器采集

数据处理

电机控制

MQTT通信

状态检测

然后分析：

复制代码

哪些功能需要独立周期运行？

哪些功能需要等待事件？

哪些功能实时性比较高？

哪些功能需要传递数据？

哪些功能共享同一个外设？

最后再决定：

复制代码

创建哪些任务
        ↓
任务优先级是多少
        ↓
使用Queue还是Notification
        ↓
哪些资源需要Mutex

所以FreeRTOS工程设计的正确顺序不是：

复制代码

先创建任务

↓

再想任务干什么

而应该是：

复制代码

分析功能
    ↓
划分任务
    ↓
确定任务关系
    ↓
选择通信同步方式
    ↓
设置优先级
    ↓
运行并测试

九、整个系列最终可以归纳成一张图

学完这个系列以后，可以把FreeRTOS理解成下面这套框架：

复制代码

                FreeRTOS
                   │
        ┌──────────┴──────────┐
        │                     │
      任务管理              任务通信
        │                     │
 xTaskCreate()              Queue
 vTaskDelay()             Semaphore
 Suspend/Resume             Mutex
 Priority               Event Group
        │              Task Notification
        │                     │
        └──────────┬──────────┘
                   │
                系统资源
                   │
          Stack / Heap
                   │
          FreeRTOSConfig
                   │
                调度器
                   │
        SysTick / PendSV / SVC
                   │
              STM32F407

如果以后某个知识点忘记了，不需要把整个FreeRTOS重新学习一遍。

只需要先判断：

复制代码

这个问题属于任务？

通信？

同步？

内存？

调度？

然后再去查对应API即可。

十、最终总结

从这个系列开始到现在，我们已经依次学习了：

复制代码

任务创建与延时

优先级与时间片

任务句柄

挂起、恢复和删除

任务状态与优先级修改

Idle Task与系统Tick

队列

二值信号量与计数信号量

互斥量与优先级继承

事件组

任务通知

软件定时器

流缓冲区与消息缓冲区

中断安全API

临界区与调度器锁

heap_1到heap_5

任务栈与栈溢出检测

Hook函数与运行时间统计

Tickless Idle

FreeRTOSConfig

调试与追踪

CMSIS-RTOS

生产者消费者模型

多任务同步

系统架构设计

FreeRTOS移植与调度原理

工程规范

性能优化

真正需要掌握的并不是把这些API全部背下来。

最重要的是建立这样一种思维：

复制代码

任务什么时候运行？

什么时候应该阻塞？

数据应该怎样传递？

任务应该怎样同步？

共享资源应该怎样保护？

中断应该做多少事情？

RAM到底够不够？

任务优先级是否合理？

当你开始主动考虑这些问题的时候，就已经不再只是：

复制代码

会调用FreeRTOS函数

而是在真正按照：

复制代码

RTOS的方式设计嵌入式程序。

最后再回到我们最开始的两个LED任务：

复制代码

xTaskCreate(
    LED1Task,
    "LED1",
    128,
    NULL,
    2,
    NULL
);

xTaskCreate(
    LED2Task,
    "LED2",
    128,
    NULL,
    2,
    NULL
);

vTaskStartScheduler();

最开始看到这些代码时，我们只是知道：

复制代码

它能够创建两个任务。

现在再看，背后已经能够想到：

复制代码

任务栈
    ↓
TCB
    ↓
Ready状态
    ↓
优先级
    ↓
SysTick
    ↓
调度器
    ↓
PendSV
    ↓
上下文切换
    ↓
CPU轮流执行两个任务

这就是这个FreeRTOS系列真正需要建立起来的完整认识。

至此，FreeRTOS中文学习系列全部完成。