为什么使用RTOS?

1. 先考虑OS有什么特点？

无OS开发情况下，就是一个while循环中执行所有模块功能

顺序执行
模块依次执行，不能调换顺序，更不能同步实时执行

void main()
{BSP_Init();//硬件初始化while(1){task1();//模块1执行.......task4();//模块4执行}
}

状态调度
模块根据状态变化执行，可以调换顺序，不能同步实时执行

unsigned int switchflag;
void main()
{BSP_Init();//硬件初始化while(1){switch(switchflag){case status1:task1();//模块1执行break;case status2:task2();//模块2执行break;.......}}
}

上面的任务都需要执行完才能跳转到其它任务，不能在任务运行期间跳转。也有一种情况是任务自己提前break，但是你能让自己break，你不能让别人break啊，所以我们需要一个东西管理任务切换执行，这个就是OS了。

基于这个最初的需求可以看一下现在的OS实现了什么功能？

支持抢占切换/合作切换/时间片切换任务
支持低功耗模式
支持多种系统架构
支持任务同步机制
支持堆栈溢出检测
工具免费，源码免费，版权免费

2. 再考虑什么情况下使用OS?

1.项目功能单一，程序简单，各模块没有强烈同步执行的需求（实时性需求不强），不需要OS
2.项目功能复杂，模块交织，多个模块有强烈同步执行的需求（实时性需求强），需要OS
根据项目考量，没有明确界限

FreeRTOS调试技巧

重定向printf/scanf函数进行串口打印

/*重定向printf函数*/
int fputc(int data,FILE* file)
{USART_SendData(USARTx,(char)data);//发送一个字节while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_TXE)==RESET);//等待发送成功return data;
}
/*重定向scanf函数*/
int fgetc(FILE* file)
{char data;while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_RXNE)==RESET);//等待接收成功data=USART_ReceiveData(USARTx);//接收一个字节return (int)data;
}

调试任务运行状态，任务栈余量，CPU占用率

实现计数器

volatile uint32_t  OS_DebugTimeTicks=0;//调试心跳
void BSP_Timex()
{//实现20KHz频率的定时器//开定时器中断//OS_DebugTimeTicks在中断中自增
}

FreeRTOSConfig.h文件宏配置

extern uint32_t OS_DebugTimeTicks;
#define configUSE_TRACE_FACILITY	                 1
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS                1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS         1
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()     (OS_DebugTimeTicks= 0UL)
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()             OS_DebugTimeTicks

调用RTOS调试函数vTaskList()，vTaskGetRunTimeStats()输出任务信息

static void vTaskTaskUserIF(void *pvParameters)
{uint8_t ucKeyCode;uint8_t DebugInfoBuff[500];while(1){printf("=================================================\r\n");printf("任务名      任务状态 优先级   剩余栈 任务序号\r\n");vTaskList((char *)&DebugInfoBuff);printf("%s\r\n", DebugInfoBuff);printf("\r\n任务名       运行计数         使用率\r\n");vTaskGetRunTimeStats((char *)&DebugInfoBuff);printf("%s\r\n", DebugInfoBuff);	vTaskDelay(20);}
}

任务管理

1. 任务调度流程

1-1

2. 任务栈大小，栈溢出检测

栈大小（最小栈空间）

1-2

栈	内容
函数	每层函数：局部变量+形参+返回地址+状态保存
任务切换	部分CPU寄存器 +FPU寄存器
中断	部分CPU寄存器 +FPU寄存器
可变参函数，函数指针，递归	无法确定栈大小

标准栈空间：最小栈大小的1.5~2倍大小
函数栈大小及嵌套深度可以参考工程编译文件.htm文件
RTOS调试技巧测试栈空间，适当调整

栈溢出检测
栈生长地址由高到低，如果栈指针下移的地址越过了任务栈的基地址则栈溢出。
软件预设检测
在栈生长方向的末端开辟一段空间专门存放固定值，定时判断固定值有没有被修改，被修改说明栈溢出了。存在栈溢出超过判断区间直接宕机的可能。
MPU内存保护
通过MPU对栈生长方向的末端区间进行保护，如果出现栈溢出触发MPU异常，在异常中分析栈溢出情况。
FreeRTOS栈溢出检测

方法1：任务切换时检测栈指针是否越界，栈溢出触发溢出回调函数vApplicationStackOverflowHook（）

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 1
void vApplicationStackOverflowHook(  TaskHandle_t xTask,signed char *pcTaskName);//溢出回调函数

方法2：任务栈初始化为固定值，任务切换时检测栈尾16个字节是否都是初始化设置的固定值。

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2
void vApplicationStackOverflowHook(  TaskHandle_t xTask,signed char *pcTaskName);//溢出回调函数

任务切换时进行栈溢出检测无法确保任务运行期间栈不溢出。
任务切换时进行栈溢出检测无问题只能说明栈尾的数据是固定值，但是不能说明是初始时设置的固定值还是运行时保存的固定值，存在第2种情况的可能性。

3. 中断管理

M3/M4内核MCU中断优先级取寄存器8位中的高4位表示，共有16种组合。

几点原则：

RTOS采用中断分组4，也就是0~15级全抢占式优先级
高抢占级中断可以抢占低抢占级中断
同抢占级中断不能互相抢占，先到先行
Reset，NMI不可屏蔽中断，Hard Fault高于普通中断，优先级固定

RTOS中断配置：

Systick中断：产生心跳，触发PendSV中断
PendSV中断：任务切换
SVC中断：启动任务，只执行一次

#define configPRIO_BITS      4//优先级占用bits
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY   15//RTOS用的Systick和PendSV中断优先级
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY 		( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )//Systick和PendSV中断配置的优先级左移4位写进优先级配置寄存器
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    2//可以使用RTOS函数的最高优先级，2~15优先级中断中可用RTOS接口
#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 	( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )//可以使用RTOS函数的最高优先级左移4位写进优先级配置寄存器

RTOS管理的中断会出现中断延迟的可能，对于实时性要求强的中断不能被RTOS管理，否则会出现中断无法及时响应的情况。
FreeRTOS使用basepri寄存器，uCOS使用primask寄存器。

寄存器	功能
primask	这是个只有 1 个 bit 的寄存器。在它被置 1 后，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI 和硬 fault 可以响应。它的缺省值是 0，表示没有关中断
faultmask	这是个只有 1 个 bit 的寄存器。当它置 1 时，只有 NMI 才能响应，所有其它的异常，甚至是硬 fault，也通通闭嘴。它的缺省值也是 0，表示没有关异常
basepri	这个寄存器最多有 9 位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号越大，优先级越低）。但若被设成 0，则不关闭任何中断， 0 也是缺省值

4. 内存管理

FreeRTOS提供5种内存管理接口

1-3

FreeRTOS API接口

1. 任务创建

函数	描述
xTaskCreate( )	动态创建一个任务，从RTOS的堆上分配栈空间
xTaskCreateStatic( )	静态创建一个任务，用户手动分配栈空间
xTaskCreateRestricted( )	任务控制块从RTOS堆上分配，用户手动分配栈空间 (和FreeRTOS-MPU一起使用)
xTaskCreateRestrictedStatic( )	用户手动分配任务控制块和栈空间 (和FreeRTOS-MPU一起使用)