- 簡介
FreeRTOS是一個以MIT許可協議開源的嵌入式實時操作系統，它的核心是多任務調度，內存佔用量極低，提供了任務優先級搶佔、任務間通信和同步的機制、堆內存分配與保護等基本功能。FreeRTOS可以運行在資源受限的微控制器上，支持非常多的處理器平臺，是一個可配置可裁剪的嵌入式操作系統內核。FreeRTOS有很完善的文檔及學習資料，而且現在由亞馬遜旗下一個項目組在維護。但FreeRTOS只是一個操作系統內核，只提供了最基本的功能，諸如網絡通信、圖形顯示、文件系統這些一個完整操作系統應該具備的功能，需要接入第三方庫或者自已去實現。
- 基本術語
多任務系統：從整體上看，能夠實現多個任務並行運行的系統就叫作多任務系統。對於單核cpu來說只是操作系統以極短的時間來切換不同的任務執行，看起來像是多個任務並行運行一樣。但對於多核cpu來說，可以真正做到任一時刻都可以在不同的線程運行不同的任務。
任務：任務和桌面操作系統的線程很類似，每個任務實現一個具體的功能，它是FreeRTOS最小的代碼執行單元，是實現多任務輪流執行的最小粒度。
中斷：中斷是響應外設信號的處理程序，當一個外設產生了輸入輸出信號觸發了中斷，cpu就會執行對應的中斷服務例程（ISR），ISR要儘可能的短小且不能有阻塞，以提高系統的響應速度。
任務優先級：每個任務都會被分派一個執行優先級，內核會根據這個優先級決定任務的運行次序。
優先級搶佔：如果系統配置爲允許任務搶佔，那麼當高優先級的任務準備就緒時，系統就會暫停當前低優先級的任務運行，切換爲就緒的高優先級運行，以保證實時性。
優先級反轉：在某些特定的條件下，會發生高優先級的任務等待低優先級任務運行結束的情況，就叫作優先級反轉。比如當高優級任務訪問一個被低優先級任務同步佔用的資源時。
優先級繼承：當高優先級任務訪問一個被低優先級任務佔用的使用mutex保護的資源時，內核會把該低優先級的任務臨時提升優先級別，儘可能地讓該任務得到更多的時間運行，從而儘快釋放資源，以保證等待資源的高優先級任務在最短時間內能夠執行。
調度：內核根據一定的算法協調分配各個任務的運行時間與次序，以實現多任務同時運行以及實時性的目的。每個任務都有一個TCB塊和棧內存，當發生任務切換時，內核會先保存當前任務的上下文環境，然後切換回要運行的任務之前的上下文環境。
- 通信與同步
FreeRTOS實現任務間以及任務與中斷間的通信與同步的方式有很多種，各有各的優缺點以及應用場景，包括隊列、信號燈、互斥量、任務通知等。
隊列：隊列是任務間通信的基本方式。一個任務從隊列讀數據，另一個從隊列寫數據，當讀空隊列或者寫滿隊列時，對應的任務會被阻塞。可以直接把小數據寫入隊列，也可以把大數據的地址寫入隊列，隊列的內存是由內核負責分配的。
信號燈：信號燈分爲二進制信號燈與計數信號燈。區別是前者控制資源任一時刻只能有一個佔用者，後者允許資源可以同時被特定數量的訪問者佔用。對於二進制信號燈，當信號燈爲1時表示信號燈可被獲取，爲0時表示信號燈也經被其他任務獲取，當前任務需要等待或放棄。對於計數信號燈來說，可以同步事件與資源兩種，如果同步的是事件，當事件發生時計數加1，當事件被處理後，計數減1，信號燈的初始數量是0。如果同步的是資源，當資源被佔用時計數減1，當資源釋放時計數加1，信號燈的初始數量爲資源最大數量。
互斥量：基本和二進制信號燈功能一樣，只是多了個優先級繼承的功能。對於使用互斥量同步的資源，在特定情況下會臨時提升相應任務的優先級。
任務通知：每一個任務都有一個32位的通知值，一個任務可以等待接收通知，另一個任務可以發送通知以喚醒等待的任務，實現同步。可以使用任務通知實現一些輕量級的信號燈、事件組等功能。任務通知不需要佔用額外的內核資源與內存，比二進制信號燈解鎖任務快45%。但任務通知只能用在一對一的情況下，比如說，一個任務不能同時通知多個任務，但信號燈與互斥量就可以。當用任務通知實現信號燈時，任務的通知值就做爲信號燈的計數值。
- 調度算法
FreeRTOS的調度算法大概分爲三類，可以在FreeRTOSConfig.h中配置使用什麼樣的調度算法。
時間分片的優先級搶佔算法：高優先級任務會搶佔低優先級任務執行，相同優先級任務會輪流執行特定時間片的時間。
不帶時間分片的優先級搶佔算法：高優先級任務會搶佔低優先級任務執行，當前任務只有在進入等待或阻塞狀態，或者被其他高優先級任務搶佔後，其他任務纔有機會執行。
協作調度算法：當前任務如果沒有進入等待或阻塞狀態，其他任務沒有機會執行。當發生任務切換時，高優先級的任務優先被調度。
- 內存分配
FreeRTOS支持靜態分配與動態分配內存兩種。
靜態分配內存：內核提供了特定的api可以對一些內核對象靜態分配內存，靜態分配內存有下面一些好處：鏈接時就能確定對象的大小及內存地址和最大的內存佔用量；應用程序編寫者不用關心內存分配失敗的情況；適用於不允行任務動態內存分配的情況。
動態分配內存：內核預置了5種動態分配內存方法，分別位於heap_1.c到heap_5.c文件中，也支持開發者編寫針對自己平臺的內存分配函數，但必須保留至少一種預置方法，因爲內核api分配內存時要用到。
FreeRTOS對特定平臺也提供了內存訪問保護機制，比如特定內存只讀或者可執行等。FreeRTOS也提供了一些棧溢出的檢測手段，比如棧指針是否超出了有效區，棧內存特定字節是否被覆蓋等，但因爲增加了開銷，所以棧溢出檢測儘量用在開發和測試中。
- 軟定時器與HOOK函數
FreeRTOS在內核啓動時會運行一個軟定時器守護任務，該任務負責接收定時器的控制消息，比如創建、刪除、重置定時器，同時負責在定時器超時時調用定時器回調函數。該守護任務還保證只有在定時器回調函數實際執行時才佔用cpu時間，其他時候都處於阻塞狀態。定時器的回調函數要寫的儘量簡短，不能有阻塞，以免造成其他定時器回調不能按時執行。
FreeRTOS也提供了很多的hook函數方便實現一些功能：
Idle Hook函數：當最低優先級的空閒任務運行時，就會調用這個回調，可以在這裏把cpu設爲深度睡眠狀態以節能。
Tick Hook函數：可以實現定時功能。
Malloc Failed Hook函數：當內存分配失敗時調用。
Stack Overflow Hook函數：棧溢出時調用。
Daemon Task Hook函數：軟定時器守護任務調用的回調函數。
- 編碼標準與命名規範
FreeRTOS遵從MISRA的編碼標準，有一套自己的命名規範，可以參考對應文檔。FreeRTOS爲了最大化各平臺的兼容性，沒有采用C99標準以後新引入的C特性。
- 優勢與劣勢
優勢：免費、開源、資源佔用小、實時多任務、內核可移植可裁剪、資料完整學習成本低、官方提供支持、使用羣體龐大開源社區活躍。
劣勢：只提供最基本內核，如果想搭建完整的操作系統，需要整合第三方的庫，比如網絡通信、文件系統、圖形系統等。