STM32实时操作系统（RTOS）入门：FreeRTOS和μC_OS-II实战解析

# 1. 实时操作系统的基础**

实时操作系统（RTOS）是一种专为嵌入式系统设计的操作系统，它能够保证系统在特定时间内对事件做出响应。RTOS的主要特点包括：

- **实时性：**RTOS能够在可预测的时间内响应外部事件，确保系统在指定的时间范围内执行任务。
- **并发性：**RTOS允许多个任务同时执行，提高了系统的效率和吞吐量。
- **确定性：**RTOS能够保证任务在指定的时间内执行，不会出现不可预测的延迟。

# 2. FreeRTOS深入剖析**

**2.1 FreeRTOS的架构和调度机制**

**2.1.1 FreeRTOS的任务和队列**

FreeRTOS是一个基于任务的实时操作系统，任务是FreeRTOS中的基本执行单元。任务可以看作是一个无限循环，它不断执行自己的代码，直到任务完成或被其他任务抢占。

FreeRTOS中的队列是一种同步机制，用于在任务之间传递数据。队列是一个先进先出（FIFO）的数据结构，任务可以通过队列发送和接收数据。

**2.1.2 FreeRTOS的调度算法**

FreeRTOS使用优先级调度算法来调度任务。每个任务都有一个优先级，优先级高的任务比优先级低的任务具有更高的执行权。当有多个任务处于就绪状态时，FreeRTOS会选择优先级最高的任务执行。

**2.2 FreeRTOS的编程技巧**

**2.2.1 FreeRTOS任务的创建和管理**

创建任务需要调用`xTaskCreate()`函数，该函数的参数包括任务函数指针、任务名称、任务堆栈大小、任务参数和任务优先级。

void vTaskCode(void *pvParameters)
{
    // 任务代码
}

int main(void)
{
    // 创建任务
    xTaskCreate(vTaskCode, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    return 0;
}

**2.2.2 FreeRTOS同步和通信机制**

FreeRTOS提供了多种同步和通信机制，包括：

* **互斥量（Mutex）：**用于保护共享资源，防止多个任务同时访问。
* **信号量（Semaphore）：**用于限制任务对资源的访问，当资源可用时释放信号量。
* **队列（Queue）：**用于在任务之间传递数据。
* **事件组（Event Group）：**用于通知任务发生特定事件。

**2.2.3 FreeRTOS的内存管理**

FreeRTOS使用动态内存分配算法来管理内存。任务的堆栈和数据区都是动态分配的。FreeRTOS提供了`pvPortMalloc()`和`vPortFree()`函数用于分配和释放内存。

**表格：FreeRTOS的内存管理函数**

| 函数 | 描述 |
|---|---|
| `pvPortMalloc()` | 分配内存 |
| `vPortFree()` | 释放内存 |

**代码块：使用FreeRTOS分配内存**

// 分配100字节的内存
void *ptr = pvPortMalloc(100);

// 释放内存
vPortFree(ptr);

**mermaid流程图：FreeRTOS任务调度流程**

graph LR
subgraph 任务调度流程
    A[任务就绪] --> B[选择优先级最高的任务]
    B --> C[执行任务]
    C --> D[任务完成或被抢占]
    D --> A
end

# 3. μC_OS-II深入剖析

### 3.1 μC_OS-II的架构和调度机制

#### 3.1.1 μC_OS-II的任务和队列

μC_OS-II是一个基于优先级的抢占式实时操作系统，它将系统中的任务组织成一个优先级队列。每个任务都有一个唯一的优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。

μC_OS-II的任务由以下数据结构表示：

typedef struct OS_TCB {
    CPU_STK *StkPtr;                /* 任务堆栈指针 */
    OS_PRIO Prio;                   /* 任务优先级 */
    OS_TCB *NextPtr;                /* 指向下一个任务的指针 */
    OS_TCB *PrevPtr;                /* 指向上一个任务的指针 */
    OS_EVENT *PendEventPtr;         /* 任务挂起的事件指针 */
    void *MsgPtr;                   /* 任务消息指针 */
    OS_STATE TaskState;             /* 任务状态 */
    CPU_STK *StkBasePtr;            /* 任务堆栈基地址 */
    CPU_STK *StkLimitPtr;           /* 任务堆栈限制地址 */
    OS_OPT TaskOpt;                 /* 任务选项 */
    void *ExtPtr;                   /* 任务扩展指针 */
} OS_TCB;

μC_OS-II的队列是一个先进先出（FIFO）的数据结构，用于在任务之间传递消息。队列由以下数据结构表示：

typedef struct OS_Q {
    void **DataPtr;                   /* 消息队列 */
    OS_PRIO QPrio;                   /* 消息队列优先级 */
    OS_Q *NextPtr;