在單片機的Helloworld程序中(讓LED實現閃爍)的過程中，常常用到了延時，在這個延時過程中CPU相當于什么事情都沒干，當然這只是個實現電平翻轉的簡單任務。但是一旦任務增多后CPU的算力就大打折扣，因為在延遲的過程中，CPU這個“勞動者”在等待時間消息，幾乎不再工作，這就需要一種方法去最大化“壓榨”CPU的算力，使得CPU全時間滿負荷運行。

嵌入式設備一般分為以下幾種：

裸機系統、輪詢系統、前后臺系統、多任務系統 。輪詢系統就是一個主程序中不斷運行無限循環里邊的程序內容；前后臺系統就是在輪詢系統中加入了中斷，中斷事件的處理是在中斷函數進行處理的，中斷是前臺，主程序是后臺；多任務系統是事件的中斷處理在主函數，中斷函數負責傳遞中斷標志位。

不同系統模型的對比如下圖：

常見的操作系統如下：常用的 RTOS 有國外的 FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國內的 FreeRTOS、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中尤以國外開源且免費的FreeRTOS 的市場占有率最高。操作系統其實就是把硬件資源虛擬化，把單核處理虛擬成“多核”提高“并發”感。這種思想非常重要，類似的有虛擬機，還有當下大量應用于物聯網的Docker技術。

對于單核ARM單片機來說，要達到兩個進程任務的幾乎同步態，那是不可能的，所以對于多任務系統，要限制每個任務的運行時間，所以就需要分時切片處理，如下圖，運行兩個任務進程，每個任務進程的運行時間所占據的時間片一樣的，只要時間片劃分足夠小，例如在毫秒級別上進行任務切換可以滿足大部分系統的穩定運行需求。時間片上運行過程如下圖 運行結果如下下圖：

TWO

在操作系統，每一個要執行的任務，也就是一段程序的運行過程被稱為一個 進程 。進程包含著動態的概念，它是一個程序的運行過程，而不是一個靜態的程序。進程體現在程序中形式實際上就是一段循環執行的代碼，使用操作系統的任務創建函數創建了這個進程之后，操作系統就自動找到這段代碼并執行。一段程序執行時，一般劃分成三個階段，開始執行--->執行中--->執行完成。這也恰好對應了進程的工作狀態： 就緒態 （Ready）---> 運行態 （Running---> 終止態 （Blocked）。如果在一個進程執行的過程中，調用了將進程掛起的功能函數，或者是進程執行時有更高優先級的 任務就緒了，則進程會進入 掛起狀態 （Suspended）。容易把阻塞態與掛起態相混，我的理解是處于阻塞態的時候進程在等待一個信號條件滿足后繼續運行，該信號條件可以是中斷可以是信號量等等。而處于掛起態的時候該程序根本沒運行，就像一個人被掛起，那他根本不可能完成任何任務。

由于使用時間切片引起任務進程的暫停容易導致正在處理的數據丟失，所以操作系統需要給每個任務進程分配一個內存，存儲上個時間片尚未處理的任務數據。

同時任務進程的工作并不是完全獨立的而是互相交替訪問的，各個進程的通信也需要容易導致對某個變量的的訪問極易出現沖突，所以需要一個信息傳輸的介質- 存儲隊列 。該消息隊列既能寫入數據也能讀取數據，消息隊列對象一般以全局變量進行聲明。消息緩存空間采用先進先出FIFO方式進行存儲，實現效果如下圖。

有限的硬件資源可能會被多個進程同時訪問，并且有的進程對被控制實體的作用是相反的，極短時間內互斥任務進程的切換極易使得被控對象產生震蕩，所以需要對互斥進程做一個規約，這個規約的實現就是信號量，FreeRTOS中可以實現任務之間同步或臨界資源的互斥訪問，常用于協助一組相互競爭的任務來訪問臨界資源。也可以用作進程順序執行或者同步運行的保證。

具體來說信號量是一個非負整數，由臨界資源釋放，當信號量為0時，剩余任務進程失去資源訪問的機會，只有當另一個任務停止訪問臨界資源時，才會釋放出信號量。采用信號量的實現過程如下圖所示。

單片機開發中用的最多就是二值信號量了，可以理解為一個位0和1，也可以理解為true或false如下圖為二值信號量的實現過程。訪問的任務進程只能有一個，所以就能避免訪問資源引起的競爭與及規避控制效果的互斥。

在一個復雜控制系統中一個控制量常常需要多種事件的出現才能觸發，事件的發生與消失用1和0來表示。多事件的狀態可以通過FreeRTOS中的事件庫進行事件狀態的統一管理，FreeRTOS中一個事件組為32位，可通過配置文件修改其長度。

以32位為例其中高九位不可用，一個位代表一個事件，例如0x00000092就表示，因為0x00001188轉換為二進制0b 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 0010，然后通過查詢事件句柄查詢對應事件的發生與否。

THREE

要看懂FreeRTOS源碼了解其原理，那么必須要學會c語言中常用的數據結構--- 鏈表結構 ，鏈表的源文件在list.c文件中，一般分為單向鏈表和雙向鏈表，單向鏈表有頭尾之分，雙向鏈表則構成了一個環，分別指針分別指向上個鏈表節點地址和下個鏈表節點地址。

鏈表的節點成員以及成員作用如下圖所示：

可以看出鏈表本身就不包含大量數據的存儲，鏈表是一個動態的數據結構，將不連續的離散的硬件地址通過鏈表映射形成虛擬的連續存儲地址，面試中也常常問到鏈表和數組的區別，數組是開辟了一個連續的存儲地址，位置固定。

用最基礎的部分的理解就到此結束，當然考慮到不同任務進程的優先級以及不同任務執行的時間長短，和kernel等事件的觸發中斷，因此FreeRTOS有著更為復雜的調度機制，比如本文開頭提到的時間片輪轉法，在考慮到任務優先級的時候，該算法根本不能保證高優先級的進程任務的執行，而且不同任務在排隊列表中順序各有差異。排隊靠前的低優先級任務和排隊較后的高優先級任務怎么取舍等一系列的問題。當然可以明確的是本系統的調度是由“ 先來先服務（FCFS） ”調度算法，“ 優先級 ”調度算法，“ 時間片輪轉 ”調度算法三種算法共同作用的。而且還可以通過設置宏configUSE_PREEMPTION來定義是采用搶占式還是合作式操作系統（說太多了不解釋了.....）。

其實把用起來就知道操作系統的一個重要工作就是執行各個進程的狀態切換，因為實際上單片機每次只能運行一個進程，而操作系統通過適當的管理，讓每一個進程都可以得到及時的響應，讓多個進程呈現出一種同時運行的“并發”感，和一根信號上傳輸多種信號的思想是一致的都是分時處理，但是速度肯定不及兩根信號線分別傳輸兩種信號。

現在的嵌入式入門門檻已經很低，原有的STM32固件庫官方不在更新，使用CubeMX生成的HAL庫正在逐漸替代原有的固件庫，大大降低開發門檻提高開發效率。當然熟悉板子上的常用的寄存器會讓你得心應手。

項目中關于RTOS問題的記錄:

（1）FreeRTOS一定要配置好系統時鐘，給予一個單獨的硬件時鐘源作為系統時鐘。否則時間片的長度為無限大..程序只運行第一次進入的進程任務。

（2）隊列的大小要設置得當，否則容易內存溢出，數據后移亂碼等情況。

（3）中斷中對事件組的操作一律使用....FromISR。

（4）任務進程中的延遲要使用操作系統中提供的延遲函數。

（5）應用操作系統是讓CPU算力最大化，所以盡量使用官方提供的外設，GPIO口的通信盡量不要選擇模擬協議自行編程，因為中間需要加入非操作系統的微秒級延遲，降低了CPU的使用效率。

（6）在通信隊列操作中，讀取完畢應將通信隊列清空。

（7）單片機硬件系統會產生各式各樣的中斷，而FreeRTOS可以幫助你去對管理中斷，由于STM32的內核中斷優先級過高，所以規定FreeRTOS能使用的中斷級別大于4.