STM32单片机嵌入式操作系统：FreeRTOS、μC_OS、RT-Thread，选择最适合你的系统

# 1. 嵌入式操作系统简介**

嵌入式操作系统（RTOS）是一种专门为嵌入式系统设计的操作系统。它具有以下特点：

- **实时性：**RTOS 能够在可预测的时间内对事件做出响应，确保系统对时间敏感任务的及时处理。
- **资源受限：**RTOS 旨在在资源受限的环境中运行，例如内存和处理能力有限的微控制器。
- **模块化：**RTOS 通常由一系列模块组成，这些模块可以根据特定应用的需求进行定制和组合。

# 2. FreeRTOS

FreeRTOS 是一款广泛应用于嵌入式系统的实时操作系统，以其轻量级、高可靠性以及丰富的功能特性著称。本章节将深入剖析 FreeRTOS 的架构、特点以及编程实践。

### 2.1 FreeRTOS 的架构和特点

#### 2.1.1 内核结构和调度算法

FreeRTOS 采用微内核架构，仅包含最基本的操作系统功能，如任务调度、同步和通信机制。这种设计理念使得 FreeRTOS 具有极高的可扩展性和灵活性，可以根据不同的应用需求进行定制。

FreeRTOS 采用抢占式优先级调度算法，即优先级高的任务可以随时抢占优先级低的任务的执行权。调度算法基于就绪队列，就绪队列中按照优先级从高到低排列着就绪的任务。当一个任务执行完毕或被阻塞时，调度器会从就绪队列中选择优先级最高的任务执行。

#### 2.1.2 任务、队列和信号量

任务是 FreeRTOS 中的基本执行单元，每个任务都有一个唯一的优先级和一个执行函数。任务的优先级决定了其在系统中的调度顺序。

队列和信号量是 FreeRTOS 中常用的同步和通信机制。队列用于在任务之间传递数据，而信号量用于协调任务之间的访问。队列是一个先进先出的数据结构，而信号量是一个计数器，用于表示资源的可用性。

### 2.2 FreeRTOS 的编程实践

#### 2.2.1 任务创建和管理

// 创建一个优先级为 5 的任务
TaskHandle_t task_handle = xTaskCreate(task_function, "task_name", 1024, NULL, 5, NULL);

上述代码创建了一个名为 "task_name" 的任务，其优先级为 5，堆栈大小为 1024 字节。`xTaskCreate` 函数返回一个 `TaskHandle_t` 类型句柄，用于标识该任务。

#### 2.2.2 同步和通信机制

// 创建一个队列
QueueHandle_t queue_handle = xQueueCreate(10, sizeof(int));

// 向队列中发送数据
xQueueSend(queue_handle, &data, 100);

// 从队列中接收数据
int received_data;
xQueueReceive(queue_handle, &received_data, 100);

上述代码创建了一个容量为 10 的队列，用于存储 `int` 类型数据。`xQueueSend` 函数用于向队列中发送数据，而 `xQueueReceive` 函数用于从队列中接收数据。

// 创建一个信号量
SemaphoreHandle_t semaphore_handle = xSemaphoreCreateBinary();

// 获取信号量
xSemaphoreTake(semaphore_handle, 100);

// 释放信号量
xSemaphoreGive(semaphore_handle);

上述代码创建了一个二进制信号量，用于协调任务之间的访问。`xSemaphoreTake` 函数用于获取信号量，而 `xSemaphoreGive` 函数用于释放信号量。

#### 2.2.3 中断处理

void ISR_handler() {
  BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken;

  // 处理中断

  // 如果中断处理程序中发生上下文切换，则设置 xHigherPriorityTaskWoken 为 true
  xHigherPriorityTaskWoken = pdTRUE;

  // 结束中断处理程序
  portEND_SWITCHING_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);
}

上述代码是一个中断处理程序，用于处理中断。`portEND_SWITCHING_ISR` 函数用于结束中断处理程序，并检查是否需要进行上下文切换。如果需要，则将 `xHigherPriorityTaskWoken` 设置为 true，以通知调度器。

# 3. 第三章 μC_OS

### 3.1 μC_OS的架构和特点

#### 3.1.1 内核结构和调度算法

μC_OS采用微内核架构，内核仅负责任务调度、中断管理和同步机制等核心功能。应用层代码通过系统调用与内核交互，实现各种高级功能。

μC_OS采用优先级抢占式调度算法，每个任务都有一个优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务。调度器根据任务的优先级和就绪状态决定下一个要执行的任务。

#### 3.1.2 任务、队列和邮箱

μC_OS中的任务是执行的基本单元，每个任务都有自己的栈空间和程序计数器。任务可以处于就绪、运行或阻塞状态。

队列和邮箱是μC_OS中常用的同步和通信机制。队列是先进先出（FIFO）的数据结构，用于任务之间传递消息。邮箱是先进先出（FIFO）的数据结构，用于任务之间交换数据。

### 3.2 μC_OS的编程实践

#### 3.2.1 任务创建和管理

OS_TCB *OSTaskCreate(void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_PRIO priority, INT16U id, OS_STK *p_stk, INT32U stk_size)

| 参数 | 说明 |
|---|---|
| task | 任务函数指针 |
| p_arg | 传递给任务函数的参数 |
| priority | 任务优先级 |
| id | 任务ID |
| p_stk | 任务栈指针 |
| stk_size | 任务栈大小 |

#### 3.2.2 同步和通信机制

INT8U OSMboxCreate(OS_EVENT *pevent)

| 参数 | 说明 |
|---|---|
| pevent | 邮箱事件指针 |

void OSMboxPost(OS_EVEN