单片机C语言嵌入式操作系统：RTOS简介、任务调度和同步的实战指南

# 1. 单片机嵌入式操作系统简介

单片机嵌入式操作系统（RTOS）是一种专为单片机设计的操作系统，它提供了一组用于管理单片机资源（如任务、内存和外设）的软件组件。RTOS 的主要目标是提高单片机系统的性能、可靠性和可维护性。

RTOS 通常包含以下核心组件：

- **任务调度器：**负责管理系统中的任务，并根据预定义的调度算法分配 CPU 时间。
- **同步机制：**用于协调多个任务之间的访问，防止冲突和数据损坏。
- **内存管理：**管理系统中的内存资源，确保任务安全地访问内存。
- **外设驱动程序：**提供对单片机外设（如串口、定时器和中断）的低级访问。

# 2. RTOS任务调度与同步机制

### 2.1 RTOS任务调度算法

RTOS任务调度算法决定了任务执行的顺序和时间分配。常见的调度算法有：

#### 2.1.1 先来先服务调度（FCFS）

FCFS算法按照任务进入就绪队列的先后顺序执行任务。该算法简单易于实现，但可能导致长时间任务阻塞短时间任务。

void fcfs_scheduler() {
    while (!ready_queue.empty()) {
        Task* task = ready_queue.front();
        ready_queue.pop();
        task->run();
    }
}

**参数说明：**

* `ready_queue`：就绪队列，存储等待执行的任务。

**逻辑分析：**

该函数从就绪队列中取出最先进入的就绪任务，并执行其 `run()` 函数。

#### 2.1.2 优先级调度

优先级调度算法根据任务的优先级分配时间片。优先级高的任务优先执行。

void priority_scheduler() {
    while (!ready_queue.empty()) {
        Task* task = get_highest_priority_task();
        ready_queue.remove(task);
        task->run();
    }
}

**参数说明：**

* `get_highest_priority_task()`：获取就绪队列中优先级最高的任务。

**逻辑分析：**

该函数从就绪队列中获取优先级最高的任务，并执行其 `run()` 函数。

#### 2.1.3 时间片轮转调度（RR）

RR算法将时间片分配给每个任务。每个任务执行一个时间片，然后进入就绪队列尾部。

void rr_scheduler() {
    while (!ready_queue.empty()) {
        Task* task = ready_queue.front();
        ready_queue.pop();
        task->run_for_time_slice();
        if (!task->is_finished()) {
            ready_queue.push_back(task);
        }
    }
}

**参数说明：**

* `run_for_time_slice()`：执行任务一个时间片。

**逻辑分析：**

该函数从就绪队列中取出最先进入的就绪任务，并执行其 `run_for_time_slice()` 函数。如果任务未完成，则将其推回就绪队列尾部。

### 2.2 RTOS任务同步机制

任务同步机制用于协调多个任务对共享资源的访问，防止数据竞争和死锁。常见的同步机制有：

#### 2.2.1 信号量

信号量是一种计数器，用于限制对共享资源的并发访问。当信号量为正时，任务可以访问资源；当信号量为零时，任务必须等待。

Semaphore* semaphore = create_semaphore(1);

void task1() {
    semaphore->acquire();
    // 访问共享资源
    semaphore->release();
}

void task2() {
    semaphore->acquire();
    // 访问共享资源
    semaphore->release();
}

**参数说明：**

* `create_semaphore()`：创建信号量，并指定初始值。
* `acquire()`：获取信号量，如果信号量为零，则任务进入等待状态。
* `release()`：释放信号量，将信号量值加一。

**逻辑分析：**

任务1和任务2都使用信号量来同步对共享资源的访问。当任务1获取信号量时，信号量值减一，任务2必须等待。当任务1释放信号量时，信号量值加一，任务2可以获取信号量并访问共享资源。

#### 2.2.2 互斥锁

互斥锁是一种二进制信号量，用于确保一次只有一个任务可以访问共享资源。

Mutex* mutex = create_mutex();

void task1() {
    mutex->lock();
    // 访问共享资源
    mutex->unlock();
}

void task2() {
    mu