单片机实验嵌入式操作系统入门：FreeRTOS和μC_OS揭秘

# 1. 单片机嵌入式操作系统概述**

嵌入式操作系统（RTOS）是一种专门设计用于单片机等资源受限设备的操作系统。它提供了任务管理、内存管理、中断处理等基本功能，使开发人员能够轻松创建复杂且可靠的嵌入式应用程序。

RTOS 通常采用抢占式或协作式调度算法来管理任务。抢占式调度算法允许优先级较高的任务抢占优先级较低的任务，从而提高系统响应速度。协作式调度算法则要求任务主动让出 CPU 时间，以保证所有任务都能得到执行。

此外，RTOS 还提供了丰富的 API，用于创建、管理和同步任务，以及管理内存和外设资源。这使得开发人员能够专注于应用程序逻辑，而无需担心底层系统细节。

# 2. FreeRTOS系统架构与任务管理

### 2.1 FreeRTOS系统架构

FreeRTOS采用微内核架构，主要由以下模块组成：

- **任务调度器：**负责管理任务的执行顺序和时间片分配。
- **任务：**执行特定功能的独立执行单元。
- **队列：**用于任务间通信和同步。
- **信号量：**用于保护共享资源，防止多个任务同时访问。
- **定时器：**用于创建定时事件和任务唤醒。

FreeRTOS的系统架构图如下：

graph LR
subgraph FreeRTOS
    A[任务调度器]
    B[任务]
    C[队列]
    D[信号量]
    E[定时器]
    A-->B
    A-->C
    A-->D
    A-->E
end

### 2.2 任务调度机制

FreeRTOS采用优先级抢占式调度算法，即优先级高的任务可以随时抢占优先级低的任务。任务的优先级分为0-255，优先级0为最高优先级。

任务调度机制流程如下：

1. 任务调度器根据任务优先级和就绪状态选择一个就绪任务。
2. 将选定的任务切换到运行状态。
3. 运行任务直到发生以下情况之一：
- 任务完成。
- 任务被更高优先级的任务抢占。
- 任务被阻塞（例如，等待队列或信号量）。
4. 任务调度器选择另一个就绪任务并重复该过程。

### 2.3 任务创建与管理

在FreeRTOS中，任务通过`xTaskCreate()`函数创建。该函数需要指定以下参数：

- 任务函数指针
- 任务名称
- 任务堆栈大小
- 任务参数（可选）
- 任务优先级

void vTaskCreate(TaskFunction_t pxTaskCode,        /* 任务函数指针 */
                 const char * const pcName,       /* 任务名称 */
                 const uint16_t usStackDepth,    /* 任务堆栈大小 */
                 void * const pvParameters,     /* 任务参数 */
                 UBaseType_t uxPriority,       /* 任务优先级 */
                 TaskHandle_t * const pxCreatedTask); /* 创建的任务句柄 */

任务创建后，可以通过以下函数进行管理：

- `vTaskDelay()`：挂起任务指定时间。
- `vTaskSuspend()`：挂起任务，直到被唤醒。
- `vTaskResume()`：唤醒挂起的任务。
- `vTaskDelete()`：删除任务。

# 3.1 μC_OS系统架构

μC_OS是一个优先级驱动的实时操作系统，它采用微内核架构，将操作系统内核的功能模块化，并通过消息传递机制进行通信。μC_OS系统架构主要包括以下组件：

- **内核：**内核是μC_OS的核心组件，负责管理任务调度、中断处理、内存管理和时钟管理等基本功能。
- **任务：**任务是μC_OS中执行的独立线程，每个任务都有自己的栈空间和优先级。
- **消息队列：**消息队列用于任务之间进行通信，任务可以通过发送和接收消息来交换数据。
- **信号量：**信号量用于同步任务之间的访问，防止多个任务同时访问共享资源。
- **事件标志：**事件标志用于通知任务发生特定事件，任务可以通过等待事件标志来阻塞自己，直到事件发生。
- **定时器：**定时器用于生成定时中断，任务可以通过定时器来实现周期性任务。

### 3.