嵌入式八股文（四）FreeRTOS篇

系列文章目录

嵌入式八股文（一）C语言篇
嵌入式八股文（二）Linux应用篇
嵌入式八股文（三）Linux驱动篇
嵌入式八股文（四）FreeRTOS篇

一、内核

1.1 FreeRTOS启动流程

1. 系统给上电后，首先会调用复位函数Reset_Handle，然后调用__main来初始化堆栈，最后跳转到C中的main函数中。
2. main函数中会进行系统初始化（比如初始化系统时钟）和外设始化（比如初始化I2C、SPI等），并创建相应的任务，所有的任务都创建完成后则调用vTaskStartScheduler()函数来启动任务调度器，任务调度器是FreeRTOS的核心。
3. 开启任务调度函数vTaskStartScheduler()中会执行如下操作：
   ① 创建空闲任务、定时器服务任务、关闭中断；
   ② 设置PendSV和Systick为最低优先级的中断，并且开启Systick中断；
   ③ 初始化一些全局变量，将变量xSchedulerRuning设置为True，表示调度器开始运行；
   ④ 初始化时钟节拍计数器、初始化临界区嵌套计数器，如果ARM内核支持FPU，还会使能FPU；
   ⑤ 最后调用vPortStartFirstTask()函数运行第一个任务（任务优先级最高的任务），这是一个汇编函数，通过SVC中断来启动第一个任务。（整个FreeRTOS中只在这里使用了一次SVC中断）

1.2 内核的基本组成及内核对象

  FreeRTOS 内核的核心组成包括任务调度、内存管理、通信机制、中断处理和时间管理，其设计目标是为嵌入式系统提供高效、可靠的多任务环境。

1.3 FreeRTOS调度算法

  FreeRTOS 支持两种调度模式：抢占式调度（默认，按优先级）和协作式调度（任务必须主动释放资源才会切换），而时间片轮转是抢占式调度中的一个子机制，通过时间片轮转（默认每个 tick 切换一次）实现分时共享 CPU。
  时间片轮转调度在以下情况会发生任务切换

1. 进程使用互斥锁(被动切换)，互斥锁不可用时
2. 进程主动休眠(主动切换)
3. 进程被撤销(强制切换)
4. 进程当前时间片使用完(强制切换)

1.4 哪些事件会触发任务调度

1. 任务挂起或删除：当前任务调用vTaskSuspend()或vTaskDelete()后，会立即让出CPU，调度器选择其他就绪任务执行
2. 任务优先级变化：当一个高优先级任务变为就绪状态（例如通过信号量释放、消息队列接收等），当前任务可能会被抢占。
3. 系统节拍中断: 每次系统节拍（tick）中断都会触发调度器，检查是否有就绪任务需要切换（如时间片轮转的场合）
4. 延时函数调用: 当任务调用vTaskDelay()或vTaskDelayUntil()时，任务进入阻塞状态，调度器会选择其他任务

二、 内存管理

2.1 五种内存管理机制

• heap_1.c:只分配不删除，只有pvPortMalloc，没有实现vPortFree；
• heap_2.c:最佳匹配算法，但不会合并相邻的空闲内存，碎片化严重；
• heap_3.c:使用标准C库里的malloc、free函数，configTOTAL_HEAP_SIZE不再起作用；
• heap_4.c:首次适应算法，会把相邻空闲内存合并为一个大的空闲内存，可以较少内存的碎片化；
• heap_5.c:分配内存、释放内存的算法跟Heap_4是一样的，不局限于管理一个大数组：它可以管理多块、分隔开的内存。

2.2 如何避免内存泄露

1. 选择合适内存方案：1无法动态释放，3会带来碎片化，常用4或者5
2. 正确释放动态分配的资源
3. 避免创建未使用的任务及资源，启用时进行内存统计：采用vTaskList()
4. 采用configASSERT()捕获

三、同步及通讯

3.1. 优先级反转与解决方案

  优先级反转是指低优先级任务持有高优先级任务所需的资源（如互斥锁），导致高优先级任务被阻塞，而中优先级任务抢占 CPU，形成“反转”。
  可以通过优先级继承（低优先级任务的优先级会被临时提升）或者使用消息队列和信号量来管理资源来解决这种情况。

3.2. 临界区和临界资源

 临界区：指访问共享资源的代码段，必须保证一次只允许一个任务进入，以防止数据竞争。
 临界资源：被多个任务共享且可能引发竞争的资源，访问它时需要保护机制（如互斥锁）。

3.3. 二值信号量和互斥量的区别

  互斥量是二值信号量的的特殊形式（互斥信号量其实就是一个拥有优先级继承的二值信号量），其主要差距如下所示：

四、其他

4.1 实时操作系统的优势及特点

  在常用的前后台系统包含有一个后台任务和一个前台任务，整个系统结构简单，但对时间敏感的任务响应较差。而在实时操作系统（RTOS）中，多个任务可以被调度，系统通过任务调度器管理任务的执行顺序。RTOS可以保证高优先级任务得到及时的处理，更适合复杂系统中的实时响应需求。实时系统的基本特性如下所示：
确定性：系统能够在确定的时间内完成指定任务，确保任务按时完成。
可预测性：系统能够预测在特定条件下的行为，保证在任何情况下系统都能做出可预见的响应。
高可靠性：系统能够长时间运行且不出错，尤其在关键应用中，可靠性至关重要。

4.2 FreeRTOS如何移植及对代码裁剪

 FreeRTOS的移植：

1. 在源程序中创建freertos文件夹
2. 在文件夹中创建src存放source的核心文件，就是.c文件
3. 在文件夹中创建port存放MenMang内存管理文件和RVDS处理器架构相关代码
4. 最后再将include头文件和FreeRTOSConfig.h配置文件移植进来即可

 FreeRTOS的裁剪：

1. task.c和list.c是必须的，其他的核心文件按需选择即可；
2. RVDS中只留下我们使用到的芯片的即可，其他可以删除；
3. 内存管理有5个文件，我们一般留heap_4.c，其他可以删除

4.3 空闲任务是否是必须的及其作用

  FreeRTOS 的空闲任务（Idle Task） 是必须存在的，它是 FreeRTOS 调度器自动创建的一个默认任务（优先级最低，通常为 0）。它的核心作用是确保系统始终有一个可运行的任务，维持调度器的正常运转。以下是它的主要作用：

1. 防止处理器空转：其他任务没有工作要执行时，就会执行空闲任务；
2. 释放内存：调用 vTaskDelete() 删除任务时，实际内存释放由空闲任务完成；
3. 执行低功耗模式；
4. 执行钩子函数：空闲任务钩子函数必须是非阻塞的。