- RTOS如何运作？
- RTOS中的常用术语
- 安装Arduino FreeRTOS库
- 电路原理图
- Arduino FreeRTOS示例-在Arduino IDE中创建FreeRTOS任务
- Arduino IDE中的FreeRTOS任务实现
嵌入式设备内部存在的OS称为RTOS（实时操作系统）。在嵌入式设备中，实时任务至关重要，而定时在其中起着非常重要的作用。实时任务是时间确定性的，这意味着对任何事件的响应时间始终是恒定的，因此可以保证任何特定事件将在固定时间发生。RTOS旨在以非常精确的时序和高度的可靠性运行应用程序。RTOS还可以通过单个内核帮助执行多任务。
我们已经介绍了如何在嵌入式系统中使用RTOS的教程，您可以在其中了解有关RTOS的更多信息，通用OS和RTOS之间的区别，不同类型的RTOS等。
在本教程中，我们将从FreeRTOS开始。FreeRTOS是一类用于嵌入式设备的RTOS，其规模很小，可以在8/16位微控制器上运行，尽管它的使用不限于这些微控制器。这是一个完全开源的代码，可以在github上找到。如果我们了解RTOS的一些基本概念，那么使用FreeRTOS就会非常容易，因为它具有文档齐全的API，可以直接在代码中使用它们，而无需了解代码的后端部分。完整的FreeRTOS文档可以在这里找到。
由于FreeRTOS可以在8位MCU上运行，因此它也可以在Arduino Uno板上运行。我们只需要下载FreeRTOS库，然后开始使用API来实现代码。本教程适用于完整的初学者，以下是主题，我们将在此Arduino FreeRTOS教程中进行介绍：
- RTOS如何运作
- RTOS中一些常用术语
- 在Arduino IDE中安装FreeRTOS
- 如何使用示例创建FreeRTOS任务
RTOS如何运作？
在开始运行RTOS之前，让我们看看什么是任务。任务是一段可调度在CPU上执行的代码。因此，如果要执行某些任务，则应使用内核延迟或中断来安排任务。这项工作由内核中存在的Scheduler完成。在单核处理器中，调度程序可帮助任务在特定时间段内执行，但似乎不同的任务正在同时执行。每个任务都根据赋予它的优先级运行。
现在，让我们看看如果要创建一个以一秒为间隔的LED闪烁任务并将该任务置于最高优先级的情况，RTOS内核中会发生什么。
除了LED任务外，内核还会创建另一个任务，称为空闲任务。。当没有任务可执行时，将创建空闲任务。此任务始终以最低优先级（即0优先级）运行。如果我们分析上面给出的时序图，可以看出执行从一个LED任务开始，并运行了指定的时间，然后在剩余的时间里，空闲任务一直运行到滴答中断发生为止。然后，内核根据任务的优先级和LED任务的总经过时间来决定必须执行的任务。 1秒完成后，内核会再次选择执行引导任务，因为它比空闲任务具有更高的优先级，我们也可以说LED任务抢占了空闲任务。如果有两个以上具有相同优先级的任务，则它们将以循环方式运行指定的时间。
在状态图下方，它显示了非运行任务切换到运行状态。
每个新创建的任务都进入“就绪”状态（不处于运行状态的一部分）。如果创建的任务（Task1）的优先级高于其他任务，则它将进入运行状态。如果此正在运行的任务被另一个任务抢占，则它将再次回到就绪状态。否则，如果使用阻塞API阻止了task1，则CPU将不会参与该任务，直到用户定义了超时。
如果使用Suspend API将Task1挂起处于运行状态，则Task1将进入“挂起”状态，并且调度程序无法再次使用它。如果在挂起状态下恢复Task1，则它将返回到就绪状态，如在框图中所示。
这是任务如何运行和更改其状态的基本思想。在本教程中，我们将使用FreeRTOS API在Arduino Uno中实现两项任务。
RTOS中的常用术语
1.任务：这是一段可在CPU上调度执行的代码。
2.计划程序：负责从就绪状态列表到运行状态中选择任务。经常实施调度程序，以便它们使所有计算机资源处于繁忙状态（例如在负载平衡中）。
3.抢占：这是暂时中断已经执行的任务的目的，目的是在没有合作的情况下将其从运行状态中删除。
4.上下文切换：在基于优先级的抢占中，调度程序将每个 systick 中断上正在运行的任务的优先级与就绪任务列表的优先级进行比较。如果列表中有任何任务的优先级高于正在运行的任务，则会发生上下文切换。基本上，在此过程中，不同任务的内容将保存在各自的堆栈存储器中。
5.调度策略的类型：
- 抢先式调度：在这种类型的调度中，任务以相等的时间片运行，而不考虑优先级。
- 基于优先级的抢占式：高优先级任务将首先运行。
- 协作调度：上下文切换仅在运行任务的协作下发生。任务将连续运行，直到调用任务产量为止。
6.内核对象： 为了发信号通知任务执行某些工作，使用了同步过程。要执行此过程，将使用内核对象。一些内核对象包括事件，信号量，队列，互斥量，邮箱等。我们将在后续教程中了解如何使用这些对象。
通过以上讨论，我们对RTOS概念有了一些基本的想法，现在我们可以在Arduino中实现FreeRTOS项目。因此，让我们开始在Arduino IDE中安装FreeRTOS库。
安装Arduino FreeRTOS库
1.打开Arduino IDE并转到 Sketch-> Include Library-> Manage Libraries 。搜索FreeRTOS并安装库，如下所示。
您可以从github下载该库，然后在 Sketch-> Include Library-> Add.zip 文件中 添加.zip 文件。
现在，重新启动Arduino IDE。该库提供了一些示例代码，也可以在 文件->示例-> FreeRTOS中找到 ，如下所示。
在这里，我们将从头开始编写代码以了解其工作原理，稍后您可以检查示例代码并使用它们。
电路原理图
下面是在Arduino上使用FreeRTOS创建闪烁LED任务的电路图：
Arduino FreeRTOS示例-在Arduino IDE中创建FreeRTOS任务
让我们看一下编写FreeRTOS项目的基本结构。
1.首先，将Arduino FreeRTOS头文件包含为
#包括
2.提供要编写的所有要执行的函数的函数原型，写为
无效Task1（无效* pvParameters）; void Task2（void * pvParameters）; .. …。
3.现在，在 void setup（） 函数中，创建任务并启动任务计划程序。
为了创建任务，在 安装程序 函数中使用某些参数/参数调用 xTaskCreate（） API 。
xTaskCreate（TaskFunction_t pvTaskCode，const char * const pcName，uint16_t usStackDepth，void * pvParameters，UBaseType_t uxPriority，TaskHandle_t * pxCreatedTask）;
创建任何任务时应传递6个参数。让我们看看这些参数是什么
- pvTaskCode：它只是指向实现任务的函数的指针（实际上只是函数的名称）。
- pcName：任务的描述性名称。FreeRTOS不使用此功能。纯粹是出于调试目的将其包括在内。
- usStackDepth：每个任务都有自己的唯一堆栈，内核在创建任务时会将其分配给任务。该值指定堆栈可以容纳的字数，而不是字节数。例如，如果堆栈为32位宽，并且 usStackDepth 作为100传入，那么将在RAM中分配400字节的堆栈空间（100 * 4字节）。明智地使用此选项，因为Arduino Uno只有2KB的RAM。
- pvParameters：任务输入参数（可以为NULL）。
- uxPriority：任务的优先级（0是最低优先级）。
- pxCreatedTask：可用于向正在创建的任务传递句柄。然后，可以使用此句柄在API调用中引用任务，例如，更改任务优先级或删除任务（可以为NULL）。
任务创建示例
xTaskCreate（task1，“ task1”，128，NULL，1，NULL）; xTaskCreate（task2，“ task2”，128，NULL，2，NULL）;
在这里，Task2具有更高的优先级，因此首先执行。
4.创建任务后，使用vTaskStartScheduler（）;以无效设置启动调度程序。API。
5.虚空loop（） 函数将保持为空，因为我们不想手动无限地运行任何任务。因为任务执行现在由调度程序处理。
6.现在，我们必须实现任务功能，并在这些功能内编写要执行的逻辑。函数名称应与 xTaskCreate（） API的第一个参数相同。
无效task1（void * pvParameters） { while（1）{ .. ..//您的逻辑 } }
7.大多数代码需要使用delay函数来停止正在运行的任务，但是在RTOS中，不建议使用 Delay（） 函数，因为它会停止CPU，因此RTOS也将停止工作。因此，FreeRTOS具有内核API，可以在特定时间内阻止任务。
vTaskDelay（const TickType_t xTicksToDelay）;
该API可用于延迟目的。此API将任务延迟给定的滴答数。任务保持阻塞的实际时间取决于滴答率。常量 portTICK_PERIOD_MS 可用于根据滴答率计算实时性。
这意味着如果您想要200ms的延迟，只需编写此行
vTaskDelay（200 / portTICK_PERIOD_MS）;
因此，对于本教程，我们将使用这些FreeRTOS API来实现三个任务。
使用的API：
- xTaskCreate（）;
- vTaskStartScheduler（）;
- vTaskDelay（）;
为本教程创建的任务：
- LED在数字引脚8上以200ms的频率闪烁
- LED在数字引脚7上以300ms的频率闪烁
- 在串行监视器中以500ms的频率打印数字。
Arduino IDE中的FreeRTOS任务实现
1.从上面的基本结构说明中，包括Arduino FreeRTOS头文件。然后制作函数原型。由于我们要完成三个任务，因此要创建三个函数及其原型。
#include void TaskBlink1（void * pvParameters）; void TaskBlink2（void * pvParameters）; void Taskprint（void * pvParameters）;
2.在 void setup（） 函数中，以每秒9600位的速度初始化串行通信，并使用 xTaskCreate（） API创建所有三个任务。首先，将所有任务的优先级设置为“ 1”，然后启动调度程序。
void setup（）{ Serial.begin（9600）; xTaskCreate（TaskBlink1，“ Task1”，128，NULL，1，NULL）; xTaskCreate（TaskBlink2，“ Task2”，128，NULL，1，NULL）; xTaskCreate（Taskprint，“ Task3”，128，NULL，1，NULL）; vTaskStartScheduler（）; }
3.现在，为任务1 LED闪烁执行以下所示的所有三个功能。
void TaskBlink1（void * pvParameters） { pinMode（8，OUTPUT）; while（1） { digitalWrite（8，HIGH）; vTaskDelay（200 / portTICK_PERIOD_MS）; digitalWrite（8，LOW）; vTaskDelay（200 / portTICK_PERIOD_MS）; } }
同样，实现TaskBlink2函数。Task3函数将写为
无效Taskprint（void * pvParameters） { int counter = 0; while（1） { counter ++; Serial.println（counter）; vTaskDelay（500 / portTICK_PERIOD_MS）; } }
而已。我们已经成功完成了Arduino Uno的FreeRTOS Arduino项目。您可以在本教程的结尾找到完整的代码以及视频。
最后，在数字引脚7和8上连接两个LED，并将代码上传到Arduino板上，然后打开串行监视器。您将看到计数器以任务名称每500ms运行一次，如下所示。
另外，观察LED，它们以不同的时间间隔闪烁。尝试在 xTaskCreate 函数中使用priority参数。更改编号并观察串行监视器和LED上的行为。
现在，您可以了解创建模拟读取和数字读取任务的前两个示例代码。这样，您可以仅使用Arduino Uno和FreeRTOS API进行更高级的项目。