基础

• 异步使用变量（外设操作变量/多线程中操作变量/中断中操作变量）
• 一定要加volatile
• 为什么有些函数不能在ISR中执行，必须执行对应的ISR安全版本？
• 因为ISR不能进入阻塞态/挂起态、长时间运行，和IDLE线程类似
• 因此ISR中一旦需要阻塞/挂起，就会通过线程通信发送一个信号，让其他线程来执行阻塞/挂起的后续操作，然后结束中断，从而避免ISR中阻塞等

• 注意：ISR遇到阻塞/挂起/长时间运行，只会发出信号，然后需要写一个辅助线程来接收信号并处理

• 实现同步互斥的方式

• 软件互斥：LockOne、LockTwo、Peterson
• 临界区保护：中断关闭-开启、调度器挂起-恢复
• 硬件互斥锁/软件互斥量
• 实现线程间通信
• 全局变量：需要手动实现互斥==一读一写==
• 单buffer/双buffer/环形buffer：需要手动实现互斥==一读一写==
• 队列/队列集：自带互斥的环形buffer==多读多写==
• 事件标志组==多读多写==
• 任务通知==多读多写==

软件互斥

• 略

临界区保护

• 中断开启-关闭==全局保护==
• 原理：见中断管理
• 注意：只在rtos可管理的中断优先级范围内有效
• 注意：如果在关中断期间使用延时函数会出问题
• vTaskDelay()内部会开关中断，会导致进入两次中断，最终在第二次进中断时卡住
• mdelay()需要调高时钟源的中断优先级，防止关中断时无法延时，而由于systick默认优先级最低，所以最好自定义一个TIM
• 调度器挂起-恢复==全局保护==
• 原理：见任务调度
• 注意：关调度器只是关闭任务切换，但是不会关闭中断
• 软件互斥量/硬件互斥锁==局部保护==
• 注意：只会保护临界区内的资源不被访问，仍然存在任务切换

队列Queue

• 传送数据的方式

• 拷贝（传值）：传输小数据

• 引用（传地址）：传输大数据

• 相关函数

• 创建：xQueueCreate()/xQueueCreateStatic()

• 删除：vQueueDelete()
• 复位：xQueueReset()
• 读队列：读、窥探
• 写队列：写后、写前、覆盖
• 查询：uxQueueMessagesWaiting()/uxQueueSpacesAvailable()
• 队列的实现（生产者消费者）
• 有一个环形buffer
• 对生产者有一个等待链表（SenderList），对消费者有一个等待链表（RecvList）
• 由于等待的线程会被vTaskDelay，所以同时也会加入线程调度的阻塞链表（BlockList）
• 队列的逻辑（生产者消费者）
• 消费者读队列，队列空时阻塞(T=timeout)
• 阻塞中有生产者写入，由生产者唤醒消费者（在RecvList中找一个线程，然后将它移出等待链表、阻塞链表，加入就绪链表）
• 阻塞中无生产者写入，由时钟中断唤醒消费者（同上）
• 生产者：同理

信号量Semaphore

• 相关函数
• 创建：xSemaphoreCreateBinary()/vSemaphoreCreateBinary()/xSemaphoreCreateMutex()等
  • v函数会在创建时先释放（初始sema=初值），而x函数创建时不释放（初始sema=0）
  • v函数已经被弃用，现在最好用x函数
• 获取、释放
• 查询计数变量值、查询当前任务是否拥有信号量
• 分类：二值信号量Binary（同步量）、二值信号量Mutex（软件互斥量）、二值信号量RecursiveMutex（软件递归互斥量）、整型信号量Counting（同步量）
• Binary和Mutex的区别：Mutex有优先级继承机制。防止优先级反转问题
• Mutex和RecursiveMutex的区别：递归函数可能会多次获取同一个mutex而导致错误，此时应该更换为RecursiveMutex，使得同一个任务可以多次获取相同的mutex。防止递归函数的自我阻塞
• 在中断中使用信号量
• 注意：ISR只能释放信号量，不能获取，因为ISR不能被阻塞

• 所以ISR中无法实现Mutex的优先级继承机制

• 信号量的实现

• 由队列实现，信号量=int型计数变量+等待队列
• 信号量的等待队列!=队列中的等待链表
• 等待队列：队列元素数=计数变量值，每个元素大小=0B
• 信号量的逻辑
• 被信号量阻塞：调度器会先将任务加入等待队列，然后将任务加入阻塞链表
• 被信号量唤醒：调度器会先将任务移出等待队列，然后将任务移出阻塞链表，加入就绪链表

队列集QueueSet

• 用一套API管理多个队列、信号量
• 队列集中的资源不分先后：防止因为前面队列/信号量阻塞了任务，而导致任务无法操作后续的队列/信号量。
• 相关函数
• 创建：队列集大小=所有队列和信号量的大小之和
• 添加到集合：vSemaphoreCreateBinary()创建的信号量不能被添加到队列集
• 移除出集合
• 查询有效队列

事件标志组EventGroup

• 一个Group有多个标志（1个标志=1bit）
• 事件标志组的逻辑
• 接收者阻塞等待1个或多个标志位
• 发送者对标志位置位，唤醒接收者

任务通知TaskNotify

• 任务通知的实现
• 一个TCB有一个通知数组，用于接收其他任务发来的通知（老版本中不是数组，只是一个元素）
• 数组中的每一个元素都是uint32_t，表示对应通知的计数值
• 任务通知的逻辑
• 接收者阻塞等待通知

• 发送者向接收者发送通知，唤醒接收者

• 中断中的任务通知

• 注意：ISR中只能发送通知，不能接收通知，原因同理
• 使用任务通知的场景
• 可以用于代替缓冲区以外的通信方式，且一般速度更快

缓冲区

• 略

线程通信方式对比

• ISR通信
• 队列：可发可收
• 信号量：同步量可发可收，互斥量可发不可收
• 标志事件组：可发可收
• 任务通知：可发不可收

RTOS软件定时器

• 使用systick作为软件定时器，其精度会受到任务调度的影响
• 调度器启动时会创建一个时钟任务，然后在任务中调用这个软件定时器
• 所以调度器启动之前需要：创建软件定时器，在FreeRTOSConfig.h配置时钟任务的优先级、栈大小

RTOS低功耗模式Tickless

• 一般在空闲Hook中进入Tickless模式，因为此时CPU空闲
• Tickless = STM32低功耗模式的睡眠模式+RTOS扩展功能
• RTOS拓展功能：将systick的中断周期修改为低功耗运行时间，退出低功耗后，systick节拍数=低功耗之前的节拍数+低功耗运行时间
• RTOS将调用portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP()，然后最终调用__wfi()来进入低功耗
• 开启低功耗：configUSE_TICKLESS_IDLE
• 配置configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP
• 设置进入低功耗模式的默认时长
• 配置configPRE_SLEEP_PROCESSING
• 实现进入低功耗时，同时将外设修改为低功耗模式（如关闭外设时钟）
• 配置configPOST_SLEEP_PROCESSING
• 实现退出低功耗时，将外设修改为正常模式

RTOS内存管理

• 相关函数：
• 申请释放：pvPortMalloc()、pvPortCalloc()、pvPortRealloc()、pvPortFree()
• 查询：xPortGetFreeHeapSize()/xPortGetMinimumEverFreeHeapSize()
• 在heap4/5申请内存时，会产生额外申请大小，它由两部分组成：
• 使用该内存块需要创建对应结构体，其大小为xHeapStructSize
• 内存的分配必须按字节对齐，若申请一块不对齐区域，会产生对齐偏移