RTOS 基础

本文介绍实时操作系统（RTOS, Real-Time Operating System）的基本概念与典型任务调度模式。内容涵盖 RTOS 的作用、常见架构、任务优先级与时间管理机制，帮助你建立对嵌入式实时系统的完整认知，并为实际工程开发和面试打好理论基础。

8.1 内存管理

文件名	优点	缺点	说明
`heap_1.c`	分配简单，时间确定	只分配，不回收	最基础的策略。只支持线性分配，比如像栈一样一直向后分配，没有释放机制。优点是极快且稳定，适合初始化阶段或一次性分配内存的场景（如游戏关卡加载）。
`heap_2.c`	动态分配，最佳匹配	有碎片，时间不定	引入了空闲块管理机制，会尝试“最优匹配”（如 best-fit），更智能，但缺点是可能产生碎片，比如有很多小块被占用却无法合并，且查找耗时不确定。
`heap_3.c`	调用标准库函数（如 `malloc`）	速度慢，时间不定	直接使用 `malloc/free` 等系统库函数，优点是通用性强，缺点是系统开销大、不适用于硬实时系统。适合通用 C 程序或操作系统级分配。
`heap_4.c`	相邻空闲内存可合并	可解决碎片问题，但时间不定	在 `heap_2` 的基础上新增了空闲块合并功能（coalescing），可以合并相邻的空闲块来减少碎片，但合并过程需要遍历，仍然耗时不确定。
`heap_5.c`	支持分隔的内存块（多区域）	可解决碎片问题，但时间不定	在 `heap_4` 上扩展，支持多内存区域/分区分配（如小对象池、大块池）。适合复杂系统如 RTOS，效率和内存利用率进一步提高。

这些 heap_*.c 文件是实现不同策略的堆内存管理器，类似于我们平时使用的 malloc/free，但它们更接近底层，可以用于嵌入式或自定义内存池等场景。

8.1.1 关于heap_1.c

heap_1.c 是 FreeRTOS 提供的最简单的内存管理器实现。它只支持线性分配内存，不能释放已分配的内存块。适用于那些只需要一次性分配内存的场景，比如游戏关卡加载等。由于没有释放机制，它的内存使用效率较低，但速度非常快且稳定。

它只实现了 pvPortMalloc，没有实现 vPortFree。如果你的程序不需要删除内核对象，那么可以使用 heap_1。FreeRTOS 在创建任务时，需要 2 个内核对象：task controlblock(TCB)、stack。（TCB任务控制块和栈）。

在 FreeRTOS 中，每当你调用 xTaskCreate()（或类似的 API）来创建一个新任务时，内核会为该任务分配两块关键资源：

TCB（Task Control Block，任务控制块） TCB 是一个结构体，保存了任务的所有管理和调度信息，包括：
- 任务状态（就绪／运行／阻塞／挂起）
- 优先级（uxPriority）
- 任务名（pcTaskName）
- 指向任务栈顶和栈底的指针
- 上下文寄存器保存区（用于切换时保存 CPU 寄存器）
- 任务句柄（TaskHandle_t）
- 任务通知／事件／消息队列／信号量等同步对象的引用
内核通过 TCB 来跟踪每个任务，决定哪个任务该运行、该阻塞，以及保存／恢复任务的上下文。
Stack（任务栈） 每个任务都有自己独立的栈空间，用于保存：
- 函数调用时的返回地址
- 局部变量
- 临时寄存器数据
- 中断／异常发生时的寄存器上下文
当任务被上下文切换（context switch）出去时，FreeRTOS 会把 CPU 寄存器的值压入这块栈里；当任务重新切回时，再从栈里恢复寄存器。这个栈空间通常由你在创建任务时传入的 usStackDepth（以 StackType_t 为单位）决定，或由你传入的指针指定。

为什么 heap_1 只实现 pvPortMalloc 而没有 vPortFree

FreeRTOS 提供了多种内存管理方案（heap_1、heap_2、heap_3、heap_4、heap_5），它们都用来给内核对象（如 TCB、stack）、队列、定时器等分配内存。

heap_1
- 只有 pvPortMalloc()，没有 vPortFree()。
- 适合那些运行时不需要销毁／删除内核对象（任务、队列、信号量等）的系统。
- 实现简单、占用最少。

如果你的程序在运行过程中从不删除任务、队列或其他对象，就可以用 heap_1，省去内存管理的复杂性；但如果需要动态删除，就得选用支持释放的方案，如 heap_2（简单的 malloc/free）、heap_4（更高效的碎片整理）等。

8.2 RTOS移植与中断管理 (因地制宜)

关于移植的过程是有官方样例的。

英飞凌 AURIX™ TC3xx 系列单片机上移植 FreeRTOS 实时操作系统

8.3 中断机制

中断是嵌入式系统中非常重要的概念，RTOS 中的中断处理需要特别注意。FreeRTOS 提供了一些机制来安全地处理中断和任务切换。

在RTOS中，需要应对各类事件。这些事件很多时候是通过硬件中断产生。假设当前系统正在运行Task1任务，用户按下了按键，触发了按键中断。

硬件负责： CPU跳到固定地址去执行代码，这个固定地址通常被称为中断向量
软件负责:
- 1. 保存现场：Task1被打断，需要先保存Task1的运行环境，比如各类寄存器的值；
- 1. 调用处理函数（这个函数就被称为ISR，interrupt service routine）;
- 1. 恢复现场：ISR执行完毕后，需要恢复Task1的运行环境，继续执行Task1。

8.4 消息队列

消息队列是 FreeRTOS 中用于任务间通信的重要机制。它允许一个任务将数据发送到另一个任务，或者从另一个任务接收数据。消息队列具有先进先出（FIFO）的特性，确保数据的顺序性。

在裸机系统中，两个程序间需要共享某个资源通常使用全局变量来实现；但在含操作系统(下文就拿FreeRTOS举例)的开发中，则使用消息队列完成。那么这两者有啥区别呢？

其实在FreeRTOS系统中也能够像裸机似的，使用全局变量实现多程序共享某个资源（这里资源就可称为临界资源），则多个程序都能随时访问同一个临界资源，这时若两个程序同时访问同一个临界资源来完成两次资源读写操作，假如两个程序读取操作是同时完成，但是写入操作有先后之别，那么最后实际完成的操作就会是一个。例如下图：

Queue

看完上图后，大家可能会想：两者结果相同，无所谓了。但是呢，如果此时再来个C程序恰好读取到的值为456，那么是不是跟最终结果789存在偏差呢！！！

因此，在FreeRTOS系统中，引入了消息队列来实现某个资源共享，其不仅仅实现临界资源共享，也给临界资源提供保护，使得程序更加稳定。

有多个消息发送到消息队列时，通常将先进入队列的消息先传给任务，也就是说，任务一般读取到的消息是最先进入消息队列的消息，即先进先出原则（FIFO），但也支持后进先出原则（LIFO）

面试常见问题

RTOS 的作用是什么？为什么要使用 RTOS？

RTOS 主要用于管理多任务，提供任务调度、时间管理、资源共享等功能。它使得嵌入式系统能够同时处理多个任务，提高系统响应速度和资源利用率。RTOS 特别适合实时性要求高的应用，如工业控制、汽车电子等。
FreeRTOS中的调度策略是什么？

FreeRTOS使用抢占式调度策略。这意味着如果有更高优先级的任务变得可运行（例如，它刚刚完成了一个等待操作），当前运行的任务将被中断，调度器将切换到更高优先级的任务。这确保了关键任务能够及时响应。
如何在FreeRTOS中创建任务？

在 FreeRTOS 中，可以使用 xTaskCreate() 函数来创建任务。该函数需要传入任务函数指针、任务名称、栈大小、任务参数、优先级和任务句柄等参数。创建成功后，任务将被添加到就绪队列中等待调度执行。

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void vBlinkTask(void *pvParameters)
{
    const TickType_t xDelay = pdMS_TO_TICKS(500);
    for (;;)
    {
        // 翻转 LED
        ToggleLED();
        // 延时 500 ms（让出 CPU）
        vTaskDelay(xDelay);
    }
}

int main(void)
{
    // 硬件初始化
    SystemInit();
    LED_Init();

    // 创建 Blink 任务
    BaseType_t xResult;
    TaskHandle_t xBlinkHandle = NULL;
    xResult = xTaskCreate(
        vBlinkTask,          // 任务函数
        "Blink",             // 任务名
        128,                 // 栈深度：128 words
        NULL,                // 入口参数
        tskIDLE_PRIORITY+1,  // 优先级：比空闲任务高一级
        &xBlinkHandle        // 任务句柄
    );

    if (xResult == pdPASS)
    {
        // 启动调度器，开始多任务
        vTaskStartScheduler();
    }
    else
    {
        // 创建失败：可能内存不足
        ErrorHandler();
    }

    // 不会走到这里
    for (;;);
}

FreeRTOS如何管理内存？

FreeRTOS提供了几种内存管理方案。默认情况下，它使用一个单一的固定大小的堆，但你也可以实现自己的内存管理策略，比如使用动态内存分配。此外，FreeRTOS还提供了4种不同的内存分配方法，包括使用静态分配和动态分配的块。

内存管理
FreeRTOS如何处理中断？

在FreeRTOS中，中断处理程序应该尽可能快速地执行并返回，以最小化中断服务例程（ISR）的执行时间。在ISR中，应避免执行复杂的操作或阻塞调用。如果需要执行长时间运行的任务，应将任务推迟到普通的任务上下文中执行。此外，FreeRTOS提供了一种机制，允许从中断上下文中安全地调用任务。

中断机制
FreeRTOS中的队列是什么？它们有什么用途？

队列是FreeRTOS中的一种中间件，它允许任务之间通过发送和接收消息来通信。队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，任务可以向队列发送数据，其他任务则可以从队列中取出数据。队列对于任务解耦和同步非常有用，因为它们允许任务以异步的方式交换信息。

消息队列
FreeRTOS中的信号量有哪些类型？

FreeRTOS中有三种主要类型的信号量：二值信号量、计数信号量和递归信号量。二值信号量用于锁定资源，类似于互斥锁，它们只能有两个状态：获取或释放。计数信号量可以用于管理多个相同的资源，或者用来同步多个任务。递归信号量是计数信号量的一种特殊形式，允许同一个任务多次获取同一个资源。
- Binary Semaphore：异步事件通知，常在 ISR 与任务间使用。
- Counting Semaphore：管理 N 份相同资源，或允许累积多个事件。
- Recursive Mutex：同一任务可重复加锁，解决层层调用时的自锁问题，并具备优先级继承。
如何配置FreeRTOS的内核？ （一般有官方参考）配置FreeRTOS内核通常包括定义堆栈大小、设置时钟滴答率、定义任务优先级、选择调度策略等。这通常在系统的初始化代码中完成，使用vPortDefineObjects、vPortSetupTimerInterrupts、vPortStartScheduler等函数。此外，还需要根据硬件和应用需求配置中断和外设。

FreeRTOS 源码包里的 Demo 目录或者官方文档通常提供了详细的配置示例。
FreeRTOS中的软件定时器是什么？它们如何工作？

软件定时器是FreeRTOS提供的一种机制，允许任务在将来的某个时间点被唤醒。软件定时器不是真正的硬件定时器，而是使用FreeRTOS的调度器和 时钟滴答（SysTick） 来模拟的。任务可以创建一个软件定时器，并将其与任务函数关联。当定时器到期时，关联的任务将被添加到就绪列表中，以便在下一个调度点执行。