STM32单片机嵌入式操作系统入门：FreeRTOS和μC_OS，打造实时系统

# 1. 嵌入式操作系统的概念和原理**

嵌入式操作系统（RTOS）是一种专为资源受限的嵌入式系统设计的软件平台。它提供了任务调度、同步、通信和资源管理等核心功能，使开发人员能够构建实时、可靠和高效的嵌入式系统。

RTOS的核心原理是任务管理。任务是执行特定功能的独立代码单元，RTOS负责调度任务，确保它们按照优先级顺序执行。为了实现任务之间的同步和通信，RTOS提供了各种机制，如互斥锁、信号量、事件组和消息队列。

此外，RTOS还提供了定时器和中断处理功能，使开发人员能够创建定时事件和响应外部事件。通过这些功能，RTOS为嵌入式系统提供了构建复杂、实时和响应迅速的应用程序的基础。

# 2. FreeRTOS 操作系统

FreeRTOS（Free Real-Time Operating System）是一个流行的开源实时操作系统，专为嵌入式系统设计。它以其轻量级、高可靠性和可移植性而闻名。

### 2.1 FreeRTOS 内核架构和调度算法

#### 2.1.1 任务和队列管理

FreeRTOS 内核的核心组件是任务和队列。任务是执行特定功能的独立线程，而队列是任务之间通信和同步的机制。

* **任务：**任务的优先级决定了其执行顺序。FreeRTOS 支持抢占式调度，这意味着优先级较高的任务可以抢占优先级较低的任务。
* **队列：**队列用于在任务之间传递消息或数据。FreeRTOS 提供了多种类型的队列，包括 FIFO 队列、优先级队列和消息队列。

#### 2.1.2 内存管理和优先级分配

FreeRTOS 使用动态内存分配来管理任务堆栈和数据结构。它提供了一种简单的内存分配器，允许任务动态请求和释放内存。

* **内存管理：**FreeRTOS 使用一种称为固定大小内存块分配器的内存管理策略。它将内存划分为固定大小的块，任务可以请求这些块来存储数据。
* **优先级分配：**任务的优先级决定了其对 CPU 资源的访问权限。FreeRTOS 支持 32 个优先级级别，其中 0 为最低优先级，31 为最高优先级。

### 2.2 FreeRTOS 任务同步和通信

#### 2.2.1 互斥锁和信号量

互斥锁和信号量是 FreeRTOS 中用于任务同步和通信的原语。

* **互斥锁：**互斥锁用于保护临界区，即只能由一个任务同时访问的代码段。它确保多个任务不会同时访问共享资源，从而避免数据竞争。
* **信号量：**信号量用于协调任务之间的资源访问。它允许任务等待特定资源可用，然后才继续执行。

#### 2.2.2 事件组和消息队列

事件组和消息队列是 FreeRTOS 中用于任务间高级通信的机制。

* **事件组：**事件组是一组位，每个位代表一个特定事件。任务可以使用事件组来等待多个事件中的一个或多个事件发生。
* **消息队列：**消息队列允许任务将消息发送到其他任务。消息队列可以是阻塞式的或非阻塞式的，具体取决于任务是否在消息可用时等待。

### 2.3 FreeRTOS 定时器和中断处理

#### 2.3.1 软件定时器和硬件定时器

FreeRTOS 提供了软件定时器和硬件定时器来处理时间相关事件。

* **软件定时器：**软件定时器是基于软件实现的，使用任务调度器来跟踪时间。它们用于需要高精度计时的情况。
* **硬件定时器：**硬件定时器使用微控制器的硬件定时器外设来跟踪时间。它们用于需要低延迟和高精度的计时情况。

#### 2.3.2 中断处理机制和优先级设置

FreeRTOS 支持抢占式中断处理，这意味着中断可以抢占正在运行的任务。中断优先级决定了中断处理的顺序。

* **中断处理机制：**FreeRTOS 使用中断服务程序 (ISR) 来处理中断。ISR 是在中断发生时执行的代码段。
* **优先级设置：**中断可以分配优先级，以确定中断处理的顺序。高优先级中断可以抢占低优先级中断。

# 3. μC_OS操作系统**

### 3.1 μC_OS内核架构和任务管理

#### 3.1.1 任务状态和优先级

μC_OS采用优先级抢占式调度算法，任务按照优先级从高到低执行。任务可以处于以下几种状态：

- **就绪（READY）**：任务已创建并准备好执行，等待调度器分配CPU时间。
- **运行（RUNNING）**：任务正在执行，占用CPU时间。
- **等待（WAITING）**：任务因等待资源（例如信号量）而被挂起。
- **挂起（SUSPENDED）**：任务被手动挂起，不会被调度执行。
- **终止（TERMINATED）**：任务已完成或被终止，不再执行。

任务的优先级范围为0~255，0为最高优先级。当出现优先级相同的多任务时，μC_OS采用先进先出（FIFO）的调度策略。

#### 3.1.2 任务创建和调度

在μC_OS中，任务通过`OSTa