FreeRTOS操作系統(tǒng) 如何學(xué)習(xí)FreeRTOS操作系統(tǒng)？

一、什么是FreeRTOS ?

在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)reeRTOS是不多的同時(shí)具有實(shí)時(shí)性，開源性，可靠性，易用性，多平臺(tái)支持等特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。目前，F(xiàn)reeRTOS已經(jīng)發(fā)展到支持包含X86，Xilinx，Altera等多達(dá)30種的硬件平臺(tái)，其廣闊的應(yīng)用前景已經(jīng)越來越受到業(yè)內(nèi)人士的矚目。

FreeRTOS是一個(gè)迷你的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時(shí)器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源)，只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對(duì)μC/OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行，其最新版本為10.3.1版。

作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。FreeRTOS內(nèi)核同時(shí)支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級(jí)，在沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)間。

FreeRTOS的內(nèi)核可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)，這樣可保證系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性的要求;當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為不可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)只有等當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)主動(dòng)釋放CPU的使用權(quán)后才能獲得運(yùn)行，這樣可提高CPU的運(yùn)行效率。

二、為什么要學(xué)習(xí)RTOS?

作為基于ARM7、Cortex-M3硬件開發(fā)的嵌入式工程師，我一直反對(duì)使用RTOS。不僅因?yàn)椴磺‘?dāng)?shù)氖褂肦TOS會(huì)給項(xiàng)目帶來額外的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，更重要的是我認(rèn)為絕大多數(shù)基于ARM7、Cortex-M3硬件的項(xiàng)目，還沒復(fù)雜到使用RTOS的地步，使用狀態(tài)機(jī)就足夠了。

對(duì)于現(xiàn)代的微處理器，特別是資源相對(duì)豐富ARM7、Cortex-M3硬件來說，RTOS占用的硬件資源已經(jīng)越來越可以忽略。所以在當(dāng)今環(huán)境下，我們無需擔(dān)心RTOS會(huì)拖累性能。相反，RTOS提供的事件驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)方式，使得RTOS只是在處理實(shí)際任務(wù)時(shí)才會(huì)運(yùn)行，這能夠更合理的利用CPU。在實(shí)際項(xiàng)目中，如果程序等待一個(gè)超時(shí)事件，傳統(tǒng)的無RTOS情況下，要么在原地一直等待而不能執(zhí)行其它任務(wù)，要么使用復(fù)雜(相對(duì)RTOS提供的任務(wù)機(jī)制而言)的狀態(tài)機(jī)機(jī)制。如果使用RTOS，則可以很方便的將當(dāng)前任務(wù)阻塞在該事件下，然后自動(dòng)去執(zhí)行別的任務(wù)，這顯然更方便，并且可以高效的利用CPU。

三、安全地連接、編程、部署和管理低功耗設(shè)備

FreeRTOS 支持傳輸層安全性 (TLS v1.2)，可以幫助您的設(shè)備安全連接到 AWS。您還可以輕松將常用的 IoT 功能編程到設(shè)備中，其中包括使用 Wi-Fi 或以太網(wǎng)等常見連接選項(xiàng)來幫助將設(shè)備配置到本地網(wǎng)絡(luò)的軟件庫(kù)，或者使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)連接到移動(dòng)設(shè)備。FreeRTOS 還提供了一個(gè)無線 (OTA) 更新庫(kù)，通過增強(qiáng)功能或安全補(bǔ)丁來遠(yuǎn)程更新設(shè)備。它還具備代碼簽名功能，可以確保您的設(shè)備代碼在部署和 OTA 更新過程中不會(huì)泄露。

四、幾點(diǎn)初學(xué)者建議

第一點(diǎn)：初學(xué)者學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，那必須是先學(xué)習(xí)內(nèi)核，學(xué)習(xí)內(nèi)核處理的思想，跳出裸機(jī)處理的思想，那么選擇的內(nèi)核必然是由簡(jiǎn)單到深入。

第二點(diǎn)：學(xué)習(xí)內(nèi)核的話，文檔說明必須要豐富，目前有很多書是寫ucos跟FreeRTOS的，很多人都覺得這兩個(gè)rtos非常好，那人家做了那么多年，確實(shí)也是非常好的啦，ucos上過火星;FreeRTOS開源免費(fèi)，是全球最多人使用的rtos，我肯定不否認(rèn)這些不好啦。但是我還是推薦國(guó)內(nèi)的。ucos實(shí)現(xiàn)太臃腫，安全做的非常好，很多情況都考慮了，但是作為初學(xué)者，你會(huì)有那么多情況產(chǎn)生嗎，肯定不會(huì)的，沒必要學(xué)。FreeRTOS實(shí)現(xiàn)幾乎都是通過宏定義提供給開發(fā)者，實(shí)現(xiàn)過程也是很直觀明了，但是內(nèi)核代碼行數(shù)還是太多了，我不推薦(即使我的第一個(gè)rtos也是學(xué)習(xí)FreeRTOS)。

第三點(diǎn)：目前rt-thread的書籍與例程非常豐富了，比如野火的《rt-thread內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》，比如rt-thread官方出版的《RT-Thread編程指南》，都是很不錯(cuò)的資料。而TencentOS tiny資料較少，說不定我能給它整一個(gè)全網(wǎng)首發(fā)TencentOS tiny內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的系列文章

第四點(diǎn)：關(guān)于rtos內(nèi)核，真的是一通百通的!!!各種ICP通信的同步、互斥、阻塞機(jī)制，真的是一樣的處理思想，大同小異的實(shí)現(xiàn)過程，相信我。

五、工業(yè)應(yīng)用程序

工業(yè)客戶利用基于微控制器的設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)生成關(guān)于業(yè)務(wù)關(guān)鍵型工作負(fù)載的數(shù)據(jù)。工業(yè)傳感器、致動(dòng)器、泵和自動(dòng)化組件均使用微控制器，因?yàn)樗鼈兂杀镜汀⒐牡?，并且可以?zhí)行實(shí)時(shí)操作。例如，石油鉆塔上的單個(gè)泵由微控制器控制，如果出現(xiàn)故障，則可能會(huì)完全關(guān)閉。借助 FreeRTOS，這些客戶可以通過直接連接到云來收集系統(tǒng)性能和壓力方面的數(shù)據(jù)，并通過 AWS IoT Greengrass 在本地實(shí)時(shí)采取關(guān)鍵措施來防止出現(xiàn)此類破壞性中斷。

FreeRTOS 可以幫助電器、可穿戴技術(shù)或智能照明制造商等消費(fèi)產(chǎn)品公司針對(duì)各種產(chǎn)品和型號(hào)，將基于微控制器的設(shè)備開發(fā)、交付和維護(hù)過程標(biāo)準(zhǔn)化。FreeRTOS 提供單個(gè)微控制器操作系統(tǒng)，它可以支持具有不同功率和容量的各種微控制器硬件。這樣，這些公司便可以專注于產(chǎn)品創(chuàng)新，無需面對(duì)跨多個(gè)產(chǎn)品線開發(fā)軟件的復(fù)雜性。此外，通過 OTA 更新功能，F(xiàn)reeRTOS 還能安全更新使用中的現(xiàn)有消費(fèi)產(chǎn)品的功能。

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