FreeRTOS工程项目实践
教程https://www.bilibili.com/video/BV1nvqSBAELQ
STM32F103 + Cube MX + FreeRTOS +面向对象+项目框架；
可维护性，高复用性；
高内聚，低耦合；
软件框架非常重要。
FreeRTOS任务调度
时间片轮转调度
抢占式调度
- 对相同优先级的任务，FreeRTOs采用时间片轮转调度，为每个任务分配1个单位时间片，顺序执行。
- 对不同优先级的任务，FreeRToS采用抢占式调度，高优先级任务优先执行，并且高优先级会打断低优先级任务。
- 任务分为就绪态、运行态、阻塞态和挂起态
- 调度器通过任务状态和优先级进行调度，其本质是PendsV 中断
如何撑爆FreeRTOS的堆栈
总堆（Total Heap）和任务栈（Task Stack）
总堆：FreeRTOS 在程序编译时，会分配一块连续的内存，作为总堆。其本质是一个数组。可以使用
pvPortMalloc()、vPortFree()函数从中申请和释放内存。FreeRTOS 使用heap_1.c~heap_5.c来管理堆的分配。任务栈：每个任务独立拥有，用于存放任务内的信息。当被打断或调用子函数时，需要保存现场，就把当前的任务信息压入栈中，下次恢复时再从栈中取出。压栈和出栈由系统自动操作，不需要手动管理。
动态分配方式下，FreeRTOS 会从总堆中申请一块内存，作为任务栈；
静态分配方式下，用户可以指定一块内存，作为任务栈。
FreeRTOS任务创建参数
如何查询当前任务堆栈使用情况
如何撑爆任务栈
1 定义大数组
任务切换时，需要保存现场，当前信息压入任务栈
2 嵌套调用函数
调用函数时，也需要保存现场，当前信息压入任务栈
优化
- 按需分配任务栈（监控水位，留足余量）
- 减少任务内的临时变量
- 减少函数嵌套，嵌套都是有开销的
总堆空间不够，会发生什么？
消息队列
思考：任务之间如何传递消息
消息队列Queue
消息队列是 FreeRTOS 提供的一种通信机制，可以方便地实现任务与任务、中断与任务之间的通信。发送方只需要将信息发送到消息队列中，系统自动转交给接收方。
优势：
① 拷贝传递（非引用传递），保证信息完整，不会出现数据只写一半的情况
② 支持异步通知，发送不需要等待接收，代码解耦
③ 支持一对多、多对一、多对多通信
④ 系统级支持，可以实现阻塞任务操作
劣势：
① 依赖系统调用，时间和空间开销大
portmax_delay指的是队列满的时候一直等待，直到有了空位再写进去。
先进先出
实验
总结
任务之间、中断与任务间，可以使用全局变量和队列进行信息传递；
消息队列可以方便地阻塞任务，但是时间和空间开销比全局变量大；消息队列在任务内和中断内要使用不同的函数；
为节省消息队列开销，可以在保证数据完整性的情况下传递指针；
队列大小要依据实际情况选择，太小会丢数据，太大会浪费内存。
信号量和优先级翻转问题
非互斥信号量分类
1 二值信号量
本质是只有队列长度为 1，项大小为 0（空元素）的消息队列，故队列只有【空 (0)】和【满 (1)】两种状态，【空】表示事件还未发生，【满】表示事件已经发生。
信号量【满 (1)】时，执行获取（Take）操作，成功后信号量值为 0【空 (0)】，执行释放（Give）操作无效。
信号量【空 (0)】时，执行释放（Give）操作，成功后信号量值为 1【满 (1)】，执行获取（Take）操作会阻塞。
2 计数信号量
本质是队列长度为计数最大值（uxMaxCount）的队列，内部最多有 uxMaxCount 个长度为 0 的元素（空元素）。
每次获取（Take）信号量，则信号量值减 1，最小值为 0。
每次释放（Give）信号量，则信号量值加 1，最大值为 uxMaxCount。
3 适用场景
二值信号量适用于同步，如信号采集。
计数信号量适用于资源管理，如图书馆剩余座位。
4 实验
使用二值信号量，实现定时器中断控制板载 LED 闪烁。
使用计数信号量，实现每按一个按键，亮一个灯；每松开一个按键，灭一个灯。
优先级翻转
1 互斥锁
本质：是一种支持优先级继承的二值信号量。
优先级继承机制：当高优先级任务尝试获取互斥信号量时，若该信号量已被低优先级任务占用，FreeRTOS 会将占用互斥信号量的任务优先级，提升至当前高优先级任务的优先级。
机制效果：优先级继承无法完全消除优先级翻转现象，但能降低已发生的优先级反转带来的影响（提升系统响应速度）。
使用限制：互斥信号量不可在中断中使用，因为中断无任务优先级，也不会被信号量阻塞。
2 递归互斥锁
本质：是一种特殊的互斥锁，同样支持优先级继承，且同样不可在中断中使用。
核心特性：允许同一个任务多次获取该锁；对应的，任务获取锁的次数必须与释放锁的次数完全一致，否则会导致资源无法释放。
信号量核心总结 💡
本质特性：信号量的本质是消息队列，但其中的元素均为空元素，不占用实际存储空间。
核心用途：
同步：协调任务的执行时机（解决 “什么时候执行” 的问题）
互斥：保护共享资源的访问权限（解决 “谁能执行” 的问题）
优先级翻转问题：
非互斥类信号量（如二值信号量、计数信号量）可能引发优先级翻转现象
互斥信号量无法完全避免优先级翻转，但可通过优先级继承机制降低该现象带来的负面影响，提升系统响应速度