1 前言¶

1.1 小型嵌入式系统中的多任务处理¶

1.1.1 关于 FreeRTOS 内核¶

FreeRTOS 是包含实时内核的 C 库的集合以及一组实现互补的模块化库功能。

Richard Barry 最初于 2003 年左右开发了 FreeRTOS。实时 Richard 的公司 Engineers Ltd 继续开发 FreeRTOS 与全球领先芯片公司紧密合作直至亚马逊 Web Services (AWS) 接管了 FreeRTOS 2016 的管理工作。理查德现在作为高级首席工程师继续从事 FreeRTOS 的工作 AWS 物联网团队。 FreeRTOS 是 MIT 授权的开源代码，可用于任何目的。您不必成为 AWS 客户即可从 AWS 中受益管理权！

FreeRTOS 内核非常适合深度嵌入式实时在微控制器或小型微处理器上运行的应用程序。这个应用类型通常包括硬性和软性的混合实时性要求。

软实时要求规定了时间期限，但违反了截止日期不会使系统变得毫无用处。例如，响应击键速度太慢可能会使系统显得反应迟钝，令人恼火而实际上并没有使其无法使用。

硬实时要求规定了时间期限，并且违反了截止日期将导致系统绝对失败。例如，一个驾驶员安全气囊如果不这样做的话，弊大于利对碰撞传感器输入的响应太慢。

FreeRTOS 内核是一个实时 kernel (or real-time scheduler)，使基于 FreeRTOS 的应用程序能够满足其硬实时要求要求。它使应用程序能够被组织为一个集合独立的执行线程。例如，在具有只有一个核心，只有一个执行线程可以在任意时刻执行一次。内核通过检查来决定执行哪个线程由应用程序设计者分配给每个线程的优先级。在最简单的情况，应用程序设计者可以分配更高的优先级到实现硬实时要求和较低的线程实现软实时要求的线程的优先级。以这种方式分配优先级将确保硬实时线程始终先于软实时线程执行，但优先级分配决策并不总是那么简单。

如果您不完全理解本文中的概念，请不要担心上一段还没有。以下章节提供了详细的带有许多示例的解释，帮助您了解如何使用实时内核，尤其是 FreeRTOS。

1.1.2 价值主张¶

FreeRTOS 内核在全球范围内取得的空前成功源于其令人信服的价值主张； FreeRTOS是专业开发的，严格质量控制、坚固、受支持、不含任何知识产权归属不明确，真正可以自由使用商业应用程序无需公开您的专有源代码。此外，AWS 的管理权还提供了全球存在、专家安全事件响应程序、大量且多样化的开发团队，形式化验证、笔测试、内存方面的专业知识安全证明和长期支持 – 同时维护 FreeRTOS 作为硬件、开发工具和云服务中立的开源项目。自由实时操作系统 GitHub 中的开发是透明且由社区驱动的，并且不需要任何特殊的工具或开发实践。

您可以使用 FreeRTOS 将产品推向市场，甚至无需告诉我们，更不用说支付任何费用了，成千上万的公司就是这么做的。如果在任何时候您想要接收额外的备份，或者如果您法律团队要求额外的书面保证或赔偿，然后我们的战略合作伙伴提供简单的低成本商业许可选项。您可以选择学习的知识让您内心平静商业路线任您选择。

1.1.3 关于术语的说明¶

在 FreeRTOS 中，每个执行线程称为“任务”。没有嵌入式社区内术语达成共识，但我更喜欢 “任务”到“线程”，因为线程在某些情况下可以有更具体的含义应用领域。

1.1.4 为什么使用 RTOS？¶

有许多成熟的技术可以用来编写优秀的嵌入式程序不使用多线程内核的软件。如果系统下开发很简单，那么这些技术可能会提供最多的适当的解决方案。在更多情况下使用内核可能会更好复杂的情况，但交叉点发生的地方总是主观的。

如前所述，任务优先级可以帮助确保应用程序满足其处理期限，但内核可以带来其他更少的明显的好处。下面简要列出了其中一些。

抽象出计时信息

RTOS 负责执行计时，并提供与时间相关的 API 到应用程序。这使得应用程序的结构代码更简单，整体代码大小更小。

可维护性/可扩展性

抽象出时序细节会减少相互依赖性模块之间并允许软件在受控和可预测的方式。另外，内核负责计时，所以应用程序性能不太容易受到底层变化的影响硬件。

模块化

任务是独立的模块，每个模块都应该有明确的定义目的。

团队发展

任务还应该有明确定义的接口，以便更容易团队发展。

更容易测试

任务是具有清晰接口的明确定义的独立模块更容易单独测试。

代码重用

具有更高模块化性和更少相互依赖性的代码设计更容易重复使用。

提高效率

使用 RTOS 的应用程序代码可以完全由事件驱动。否轮询事件需要浪费处理时间没有发生。

与事件驱动所获得的效率相反的是需要处理 RTOS 滴答中断并将执行从一项任务切换到另一项任务。然而，不使用 RTOS 的应用程序通常包含某种形式的勾选无论如何打断。

空闲时间

自动创建的Idle任务在没有任务时执行需要处理的应用程序任务。空闲任务可以测量备用处理能力，执行背景调查，或放置处理器进入低功耗模式。

电源管理

使用 RTOS 带来的效率提升使处理器能够在低功耗模式下花费更多时间。

通过放置可以显着降低功耗每次空闲任务运行时，处理器都会进入低功耗状态。自由实时操作系统还有一个特殊的无滴答模式。使用无滴答模式允许处理器进入比其他方式更低的功耗模式并保持在低功耗模式更长时间。

灵活的中断处理

通过将处理延迟到由应用程序编写者创建的任务或自动创建的任务创建了 RTOS 守护进程 task (also known as the timer task)。

混合加工要求

简单的设计模式可以实现周期性、连续性和周期性的混合应用程序内的事件驱动处理。此外，硬和通过选择合适的任务和满足软实时要求中断优先级。

1.1.5 FreeRTOS 内核特性¶

FreeRTOS 内核具有以下标准功能：

先发制人或合作行动
可选的时间切片
非常灵活的任务优先级分配
灵活、快速、轻量级的任务通知机制
队列
二进制信号量
计数信号量
互斥体
递归互斥体
软件定时器
活动组
流缓冲区
消息缓冲区
Co-routines (deprecated)
勾选钩子函数
空闲挂钩功能
堆栈溢出检查
跟踪宏
任务运行时统计信息收集
可选的商业许可和支持
完全中断嵌套 model (for some architectures)
极低功耗的无滴答功能 applications (for some architectures)
内存保护单元支持隔离任务和增加应用程序 safety (for some architectures)
appropriate (this can help save RAM) 时软件管理中断堆栈
能够使用静态或静态方式创建 RTOS 对象动态分配内存

1.1.6 许可以及 FreeRTOS、OpenRTOS 和 SafeRTOS 系列¶

FreeRTOS MIT 开源许可证旨在确保：

FreeRTOS可用于商业应用。
FreeRTOS 本身仍然可供所有人免费使用。
FreeRTOS 用户保留其知识产权的所有权。

请参阅 https://www.FreeRTOS.org/license 了解最新的开源代码许可证信息。

OpenRTOS 是 FreeRTOS 提供的商业许可版本经第三方 Amazon Web Services 许可。

SafeRTOS 与 FreeRTOS 具有相同的使用模型，但已根据实践、程序和流程开发有必要声称遵守各种国际公认的安全相关标准。

1.2 包含的源文件和项目¶

1.2.1 获取本书附带的示例¶

zip 文件可从 https://www.FreeRTOS.org/Documentation/code 下载包含所有源代码、预配置的项目文件，以及构建和执行中提供的示例所需的说明这本书。请注意，zip 文件不一定包含最多的内容 FreeRTOS 的最新版本。

本书中包含的屏幕截图显示了在 Microsoft Windows 环境，使用 FreeRTOS Windows 端口。的使用 FreeRTOS Windows 端口的项目已预先配置为构建使用 Visual Studio 的免费社区版，可从以下位置获取 https://www.visualstudio.com/. 请注意，虽然 FreeRTOS Windows port提供了便捷的评估、测试、开发平台，它不提供真正的实时行为。