FreeRTOS 筆記之②：裸機系統與多任務系統

目錄

1. 裸機系統

1.1 輪詢

1.2 前後臺

2. 多任務系統

---

在真正開始動手寫FreeRTOS內核之前，我們先來講解下單片機編程中的裸機系統和多任務系統（不僅限於FreeRTOS）的區別。

1. 裸機系統

裸機系統通常分成輪詢系統和前後臺系統

1.1 輪詢

輪詢系統即是在裸機編程的時候，先初始化好相關的硬件，然後讓主程序在一個死循環裏面不斷循環，順序地做各種事情，大概的僞代碼具體見代碼清單。輪詢系統是一種非常簡單的軟件結構，通常只適用於那些只需要順序執行代碼且不需要外部事件來驅動的就能完成的事情。

在代碼清單中，如果只是實現LED翻轉，串口輸出，液晶顯示等這些操作，那麼使用輪詢系統將會非常完美。但是，如果加入了按鍵操作等需要檢測外部信號的事件，用來模擬緊急報警，那麼整個系統的實時響應能力就不會那麼好了。

假設DoSomething3是按鍵掃描，當外部按鍵被按下，相當於一個警報，這個時候，需要立馬響應，並做緊急處理，而這個時候程序剛好執行到DoSomething1，要命的是DoSomethingg1需要執行的時間比較久，久到按鍵釋放之後都沒有執行完畢，那麼當執行到DoSomething3的時候就會丟失掉一次事件。

足見，輪詢系統只適合順序執行的功能代碼，當有外部事件驅動時，實時性就會降低。

/* 輪詢 僞代碼  */
int main (void)
{
    /* 硬件相關初始化 */
    HardWareInit ();

    /* 無限循環 */
    for (;;) {
        
        /* 處理事情1 */
		DoSomething1 ();
		
        /* 處理事情2 */
		DoSomething2 ();
		
        /* 處理事情3 */
		DoSomething3 ();
				
		...		
    }
}

1.2 前後臺

相比輪詢系統，前後臺系統是在輪詢系統的基礎上加入了中斷。外部事件的響應在中斷裏面完成，事件的處理還是回到輪詢系統中完成，中斷在這裏我們稱爲前臺，main函數裏面的無限循環我們稱爲後臺。

類似布穀鳥鬧鐘，一旦有事件，布穀鳥就會出來，變成前臺；而正常的時候的鬧鐘就是後臺。

 

/* 前後臺系統，僞代碼 */
int evt_flg1 = 0;
int evt_flg2 = 0;
int evt_flg3 = 0;

int main (void)
{
    /* 硬件相關初始化 */
    HardWareInit ();

    /* 無限循環 */
    for (;;) {
        
        /* 處理事情1 */
		if (evt_flg1) {
			DoSomething1 ();	
			evt_flg1 = 0;			
		}

		
        /* 處理事情2 */
		if (evt_flg2) {
			DoSomething2 ();		
			evt_flg2 = 0;					
		}
		
        /* 處理事情3 */
		if (evt_flg3) {
			DoSomething3 ();		
			evt_flg3 = 0;					
		}
				
		...		
    }
}


void ISR1 (void)
{
	/* 中斷髮生，置位標示 */
	evt_flg1 = 1;
	// DoSomething2 ();
}

void ISR2 (void)
{
	/* 中斷髮生，置位標示 */
	evt_flg2 = 1;
	// DoSomething2 ();
}

void ISR3 (void)
{
	/* 中斷髮生，置位標示 */
	evt_flg3 = 1;
	// DoSomething3 ();
}

在順序執行後臺程序的時候，如果有中斷來臨，那麼中斷會打斷後臺程序的正常執行流，轉而去執行中斷服務程序，在中斷服務程序裏面標記事件，如果事件要處理的事情很簡短，則可在中斷服務程序裏面處理，如果事件要處理的事情比較多，則返回到後臺程序裏面處理。

雖然事件的響應和處理是分開了，但是事件的處理還是在後臺裏面順序執行的，但相比輪詢系統，前後臺系統確保了事件不會丟失，再加上中斷具有可嵌套的功能，這可以大大的提高程序的實時響應能力。在大多數的中小型項目中，前後臺系統運用的好，堪稱有操作系統的效果。

2. 多任務系統

相比前後臺系統，多任務系統的事件響應也是在中斷中完成的，但是事件的處理是在任務中完成的。在多任務系統中，任務跟中斷一樣，也具有優先級，優先級高的任務會被優先執行。當一個緊急的事件在中斷被標記之後，如果事件對應的任務的優先級足夠高，就會立馬得到響應。相比前後臺系統，多任務系統的實時性又被提高了。

/* 多任務系統，僞代碼 */
int evt_flg1 = 0;
int evt_flg2 = 0;
int evt_flg3 = 0;

int main (void)
{
    /* 硬件相關初始化 */
    HardWareInit ();

	/* OS 初始化 */
	RTOSInit();
	
	/* OS 啓動，開始多任務調度，不在返回 */
	RTOSStart();

    /* 無限循環 */
    for (;;) {
        ;	
    }
}

void ISR1 (void)
{
	/* 中斷髮生，置位標示 */
	evt_flg1 = 1;
}

void ISR2 (void)
{
	/* 中斷髮生，置位標示 */
	evt_flg2 = 1;
}

void ISR3 (void)
{
	/* 中斷髮生，置位標示 */
	evt_flg3 = 1;
}

void RTOS_Task_DoSomething1 ( void )
{
	/* 無限循環，不返回 */
	for (;;) {
		
		/* 任務體 */
		if (evt_flg1) {
			evt_flg1 = 0;	
			DoSomething1 ();
		}		
	}	
}

void RTOS_Task_DoSomething2 ( void )
{
	/* 無限循環，不返回 */
	for (;;) {
		
		/* 任務體 */
		if (evt_flg2) {
			evt_flg2 = 0;	
			DoSomething2 ();
		}		
	}	
}

void RTOS_Task_DoSomething3 ( void )
{
	/* 無限循環，不返回 */
	for (;;) {
		
		/* 任務體 */
		if (evt_flg3) {
			evt_flg3 = 0;	
			DoSomething3 ();
		}		
	}	
}

相比前後臺系統中後臺順序執行的程序主體，在多任務系統中，根據程序的功能，我們把這個程序主體分割成一個個獨立的，無限循環且不能返回的小程序，這個小程序我們稱之爲任務。每個任務都是獨立的，互不干擾的，且具備自身的優先級，它由操作系統調度管理。加入操作系統後，我們在編程的時候不需要精心地去設計程序的執行流，不用擔心每個功能模塊之間是否存在干擾。加入了操作系統，我們的編程反而變得簡單了。整個系統隨之帶來的額外開銷就是操作系統佔據的那一丁點的FLASH和RAM。現如今，單片機的FLASH和RAM是越來越大，完全足以抵擋RTOS那點開銷。

無論是裸機系統中的輪詢系統、前後臺系統和多任務系統，我們不能一錘子的敲定孰優孰劣，它們是不同時代的產物，在各自的領域都還有相當大的應用價值，只有合適纔是最好。

有關這三者的軟件模型區別具體見表格