目录

一、基础介绍

1.1 调度策略

1.1.1 调度方式

1.1.2 调度器

1.2 任务以及优先级

1.2.1 任务与协程

1.2.2 任务状态

1.2.3 任务优先级

1.2.4 任务优先级分配方案

1.3 任务间通信 - 信号量

1.3.1 信号量

1.3.2 任务间计数信号量的实现

1.3.3 中断方式计数信号量的实现

1.3.4 计数信号量API函数

1.4 任务间通信 - 消息队列

1.4.1 消息队列

1.4.2 任务间消息队列的实现

1.4.3 中断方式消息队列的实现

1.4.4 消息队列常用API

1.5 任务间通信 - 互斥信号量

1.5.1 互斥信号量概念

1.5.2 优先级翻转

1.5.3 互斥信号量的实现

1.5.4 常用互斥锁API

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一、基础介绍

1.1 调度策略

1.1.1 调度方式

抢占式调度、时间片调度、合作式调度；

其中以抢占式、时间片为主，少见合作式；

(1).抢占式调度：任务有优先级，程序被高优先级先抢占，或者遇到阻塞式API函数；

(2).时间片调度：每个任务优先级相同，任务运行固定的时间片；

1.1.2 调度器

调度器会使用相关的调度算法，来决定当前应该做哪个任务；
调度器的共同特性：
(1).可以区分就绪态、挂起态任务；
(2).可以激活就绪态任务，让它变成正在运行的运行态任务；
(3).不同调度器之间最大区别是如何分配就绪态任务间的完成时间；
操作系统核心是调度器和任务的切换；

1.抢占式调度器：
需要实现抢占式调度器，可以先在FreeRTOS配置文件FreeRTOSConfig.h中禁止使用时间片调度，这时候每个任务都需要配置不同优先级；
优先级值越大，优先等级越高；
比如，现在有任务Task1，Task2，Task3，他们的优先级分别是1，2，3；
此时会先运行Task3，直到它遇到系统阻塞式的API函数(比如延迟、标志位等)，这时候Task3被挂起，到了Task2运行，以此类推；

2.时间片调度器：
这个可以理解为，在同优先级的情况下。把时间拆分成时间片，比如现在有Task1，Task2，Task3，那么时间片先都为5个系统时钟，Task1运行5个系统时钟然后到Task2，Task2也运行5个，到Task3。

不管你干完了没有，你的时间片用完了，就该到下一个任务运行。并且在这过程中，发生了阻塞，那么这个时间片过完了，也到下一个任务，并不会因为阻塞而等待；

1.2 任务以及优先级

1.2.1 任务与协程

！目前FreeRTOS 的协程功能在较新的版本中已被标记为 “过时”（deprecated），官方推荐使用轻量级任务（Lightweight Tasks） 或软件定时器替代。

协程与标准任务的区别：

• 调度方式：任务是抢占式的（优先级决定执行权），协程是协作式的（需主动让出 CPU）。
• 资源占用：协程栈开销小，适合内存紧张的系统；任务需要独立栈空间，内存消耗更大。
• 实时性：任务适合强实时需求，协程适合对响应时间要求不高的场景。

适用场景：

• 周期性执行但实时性要求不高的任务（如状态监测、日志打印）。
• 内存受限的小型嵌入式系统。
• 简化复杂状态机的实现（避免使用大量全局变量保存状态）。

1.2.2 任务状态

运行：正在执行，正在占用处理器；
就绪：任务准备执行，但是因为目前有更高优先级的任务在执行。这个不同于阻塞和挂起；
阻塞：任务在等待某个触发条件，一般进入阻塞态有个超时周期，超时后解除阻塞；
挂起：任务被强制暂停，不会参与调度，且无法被任何事件（包括超时）唤醒。

1.2.3 任务优先级

FreeRTOS最高优先级是通过 FreeRTOSConfig.h文件中的 configMAX_PRIORITIES进行配置的，实际可以用的优先级范围是 [0,configMax_PRIORITIES-1]；
比如configMAX_PRIORITIES=5，那么优先级可以填 0，1，2，3，4；

优先级0表示的是空闲任务，一般建议configMAX_PRIORITIES<32;

1.2.4 任务优先级分配方案

IRQ任务：通过中断服务程序进行触发的任务，这种任务优先级最高；
高优先级后台任务：如按键检测、触摸检测、USB消息处理、串口消息处理；
低优先级：比如LED数码管显示，不需要实时性很强的任务；

这里记得把IRQ任务、高优先级任务设置成阻塞式，这样才能释放CPU使用权，让低优先级任务有机会执行；

1.3 任务间通信 - 信号量

1.3.1 信号量

信号量最初是为了共享资源建立一个标志，该标志表示占用情况；
像是停车场剩余车位，比如刚开始初始值设置为50个空闲位置。有车进来就-1，假如减到0了，也就是没车位了，那么需要停车场内有车出去，新来的车才能停进来，要不就等着；

功能：

(1).任务之间  或者  中断函数与任务之间  的同步；
(2).多个共享资源的管理；

1.3.2 任务间计数信号量的实现

任务间信号量，是指各个任务间使用信号量实现任务同步 或者 资源共享功能；
 

其实很好理解，有点像我们平时写代码时的标志位；
目前有两个任务 Task1、Task2，计数信号量可用资源为1；

任务Task1运行时，用xSemaphoreTake获取信号量资源，假如资源没被占用，那么Task1直接获取资源，或者Task2占用了信号量，那么Task1转到阻塞态，等待资源可用。Task1在获取资源，并且使用后，通过xSemaphoreGive释放资源；
在运行Task2时，也是按上面的逻辑；

1.3.3 中断方式计数信号量的实现

FreeRTOS中断方式信号量的实现，是指中断函数 与 FreeRTOS任务之间使用信号量；

目前假设有一个任务Task1，和一个串口接受中断；
信号量初始值为0，串口中断调用xSemaphoreGiveFromISR 释放信号量，Task1调用xSemaphoreTake获取信号量资源；

运行流程：
(1).Task1 调用xSemaphoreTake获取信号量，但是初始值是0，没资源可以用，进入阻塞态；
(2).串口接受中断接受到新数据，在中断服务函数中调用xSemaphoreGiveFromISR释放信号量资源，信号量数值+1，Task1从阻塞态到就绪态，获取信号量后，信号量计数值-1，变成0；
(3).再次循环时，Task1调用xSemaphoreTake没资源可用，再进入阻塞，再等串口接受新数据；

注意事项：
(1).中断函数执行时间要短，防止其他低于中断优先级的异常没及时响应；
(2).不要在中断中实现消息处理，应该在中断服务函数中发送消息通知，然后在任务中进行消息处理。并且要注意这个任务优先级，使退出中断服务函数后，任务可以及时执行；
(3).中断服务程序中一定要调用专用于中断的信号量设置函数，即以FromISR结尾的函数；

1.3.4 计数信号量API函数

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1.4 任务间通信 - 消息队列

1.4.1 消息队列

• 指通过RTOS内核提供的服务，任务或者中断子程序可用把一个消息(FreeRTOS中传递的是实际数据)放入到队列，同时任务或者中断子程序 可用从中获取；
   
• 支持 FIFO 和 LIFO 的数据存取方式；

1.4.2 任务间消息队列的实现

假设消息队列可以放10个消息；
创建了Task1 和 Task2 两个任务，Task1放数据，Task2取数据；
采用FIFO方式；

假如Task1放数据的速度，比Task2取数据的速度快，消息会放满，FreeRTOS的消息存放函数xQueueSend支持超时等待；
同样的，取的速度大于存的速度，消息获取函数xQueueReceive支持超时等待；

1.4.3 中断方式消息队列的实现

假设消息队列可以放10个消息；
创建任务Task1，和串口接收中断；
采用FIFO；

串口中断接受到消息后进行中断，往队列里放数据。Task1从队列里取数据，

(1).串口中断放数据速度 超过 Task1取数据的速度，则会造成存放过满，但是中断服务程序的消息队列发送函数 xQueueSendFromISR 不支持超时设置，所以发送前要用 xQueueIsQueueFullFromISR 检测消息队列是否满了；

(2).假如是取数据的速度  超过  放数据的速度。这时候消息队列是空的，Task1没东西取，而且Task1 获取消息的函数是 xQueueReceive ，这个函数可以设置超时等待，没消息Task1就等着，直到队列中有消息，或者是超过我们设定的时间；

1.4.4 消息队列常用API

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1.5 任务间通信 - 互斥信号量

1.5.1 互斥信号量概念

主要作用是对资源实现互斥访问，类似二值信号。互斥信号与二值信号的区别是 互斥信号可以防止优先级翻转；

1.5.2 优先级翻转

假设目前有3个任务 Task1，Task2，Task3，优先级分别是3，2，1，Task1优先级最高；

任务Task1 和 Task3互斥访问串口打印 printf，采用二值信号实现互斥访问；
Task3通过二值信号调用printf，被Task1抢占了，开始做Task1；

运行过程：
(1).Task1在运行时需要printf，这时候Task3正在用printf，就会把Task1挂起，等Task3释放printf;
(2).调度器的作用下，Task3运行过程中，Task2就绪，把Task3给抢了。优先级翻转出现在这；
(3).Task3因为被Task2抢了任务，所以没法及时释放printf，这时候变成得等待Task2干完之后，才能释放printf，然后才到Task1；
 

1.5.3 互斥信号量的实现

首先，我们引入互斥信号量这一步，是为了解决1.5.2 中的优先级翻转问题；
 

互斥信号量的实现是这样的：
比如Task1和Task2的优先级分别是1和3，首先先是Task1在执行，这时候Task2也需要占用这个资源。那么会先把Task1的优先级抬到3，也就是和Task2的优先级一样，这时候就算有一个优先级是2的任务，也无法抢占Task1；

然后是Task2被挂起，Task1释放资源，Task2等待资源，这里Task1释放完资源，又会回到1的优先级；
 

1.5.4 常用互斥锁API

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