嵌入式设备中使用的操作系统称为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，因此可以确保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。

在本篇文章中，我们将开始介绍FreeRTOS。 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，它的使用范围不仅限于这些微控制器。这是一个完全开源的代码，可在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，因为它具有详细记录的API，可以直接在代码中使用，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开发板上运行。我们只需要下载FreeRTOS库，然后开始使用API​​来实现代码。

RTOS是如何运作的？

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，但看起来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钟为间隔的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LED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（部分处于非运行状态）。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其他任务抢占，则它将再次回到就绪状态。否则，如果使用阻塞API阻塞了task1，则CPU将不会参与该任务，直到用户定义的超时时间为止。

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，如框图所示。

以上就是任务如何运行和更改其状态的基本思想。在本文中，我们将使用FreeRTOS API在Arduino Uno中实现两个任务。

RTOS中的常用术语

1.  任务（Task）：这是一段可在CPU上调度执行的代码。

2.  调度器（Scheduler）：它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（Preemption）：这是暂时中断已经执行的任务的动作，目的是在没有协作的情况下将其从运行状态中删除。

4.  上下文切换（Context Switching）：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（Preemptive Scheduling）：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（Priority-based Preemptive）：高优先级任务将首先运行。

●    协作调度（Co-operative Scheduling）：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（task yield）为止。

6.  内核对象（Kernel Objects）：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，让我们首先在Arduino IDE中安装FreeRTOS库。

安装Arduino FreeRTOS库

1.  打开Arduino IDE，然后转到Sketch-> Include Library-> Manage Libraries。搜索FreeRTOS并安装库，如下所示。

您也可以从github下载该库，下载完成后，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File -> Examples -> FreeRTOS中找到，如下所示。

在本文中，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

以下是在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，包含Arduino FreeRTOS头文件

1. #include <Arduino_FreeRTOS.h>

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2.  给出要编写的所有要执行的函数的函数原型，写为

1. void Task1( void *pvParameters );
   
2. void Task2( void *pvParameters );

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3.  现在，在void setup()函数中，创建任务并启动任务调度器。

为了创建任务，在setup函数中使用某些参数调用API函数xTaskCreate()。

1. xTaskCreate( TaskFunction_t pvTaskCode, const char * const pcName, uint16_t usStackDepth, void *pvParameters, UBaseType_t uxPriority, TaskHandle_t *pxCreatedTask );

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创建任何任务时应传递6个参数：

●    pvTaskCode：它只是实现任务的函数的指针。

●    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）。

●    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）。

4.  创建任务后，在setup函数中使用vTaskStartScheduler();中启动调度程序。

5.  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，我们必须实现任务函数，并在这些函数内编写要执行的逻辑。函数名称应与xTaskCreate()的第一个参数相同。

1. void task1(void *pvParameters)  
   
2. {
   
3. while(1) {
   
4. ..
   
5. ..//your logic
   
6. }
   
7. }

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7.  大多数代码都需要延迟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。

1. vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );

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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

1. vTaskDelay( 200 / portTICK_PERIOD_MS );

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因此，对于本教程，我们将使用这些FreeRTOS API来实现三个任务。这三个任务分别为：

●    在数字引脚8上的LED以200ms的频率闪烁

●    在数字引脚7上的LED以300ms的频率闪烁

●    在串口监视器中以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，因此要实现三个函数以及它的原型。

1. #include <Arduino_FreeRTOS.h>
   
2. void TaskBlink1( void *pvParameters );
   
3. void TaskBlink2( void *pvParameters );
   
4. void Taskprint( void *pvParameters );

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2.  在void setup()函数中，以9600位/秒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。

1. void setup() {
   
2. Serial.begin(9600);
   
3. xTaskCreate(TaskBlink1,"Task1",128,NULL,1,NULL);
   
4. xTaskCreate(TaskBlink2,"Task2 ",128,NULL,1,NULL);
   
5. xTaskCreate(Taskprint,"Task3",128,NULL,1,NULL);   
   
6. vTaskStartScheduler();
   
7. }

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3.  现在，实现所有三个函数，以下是为任务1的LED闪烁实现：

1. void TaskBlink1(void *pvParameters)
   
2. {
   
3. pinMode(8, OUTPUT);
   
4. while(1)
   
5. {
   
6. digitalWrite(8, HIGH);   
   
7. vTaskDelay( 200 / portTICK_PERIOD_MS );
   
8. digitalWrite(8, LOW);   
   
9. vTaskDelay( 200 / portTICK_PERIOD_MS );
   
10. }
    
11. }

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TaskBlink2函数的实现类似。 Task3函数写为

1. void Taskprint(void *pvParameters)  
   
2. {
   
3. int counter = 0;
   
4. while(1)
   
5. {
   
6. counter++;
   
7. Serial.println(counter);
   
8. vTaskDelay( 500 / portTICK_PERIOD_MS );
   
9. }
   
10. }

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最后，在数字引脚7和8上连接两个LED，并将代码上传到Arduino开发板上，然后打开串口监视器。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。更改编号并观察串口监视器和LED的状态。

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。

d:\My Documents\Arduino\libraries\FreeRTOS\src/Arduino_FreeRTOS.h:98:33: fatal error: newlib-freertos.h: No such file or directory
ESP32 出现的问题，大佬，能指点下吗？