前言

本篇文章正式学习FreeRTOS操作系统，我打算编写一系列文章带大家轻松快速入门FreeRTOS操作系统。

一、FreeRTOS操作系统介绍

FreeRTOS是一款开源、实时、嵌入式的操作系统，它被广泛应用于小型嵌入式系统和微控制器中。FreeRTOS的设计目标是提供一个轻量级、可移植、易于使用的实时操作系统，以协调和管理多个任务。FreeRTOS通过引入任务、信号量、消息队列、定时器等概念，使得应用程序可以按照预期的方式运行，从而实现了便捷的应用程序开发。
FreeRTOS的核心是一个调度器，它可以轮流调度多个任务，并确保它们在适当的时间运行。任务可以是周期性的、一次性的或者是某些事件驱动的。 FreeRTOS支持多种架构，包括x86、ARM、AVR等，因此可以适应不同的硬件平台和开发环境。此外，FreeRTOS还提供了丰富的API和示例代码，大大简化了开发人员在嵌入式系统中的开发工作。
FreeRTOS具有以下特点：

省内存：FreeRTOS的内核很小，最小系统只需要几千个字节的RAM空间。任务栈的大小可以动态创建，因此不会浪费内存。
可移植性：FreeRTOS可以在不同的平台上运行，无需修改代码。
实时性：FreeRTOS提供了实时调度器，任务的执行可以及时响应外部事件。
可靠性：FreeRTOS提供了对任务的优先级控制、定时器和错误处理功能，让应用程序更加稳定。
易用性：FreeRTOS提供了丰富的API和示例代码，让开发人员可以快速上手进行开发。

在使用FreeRTOS时，开发人员需要首先了解和熟悉FreeRTOS的基本概念和API。例如，需要了解任务的创建、删除、挂起、恢复等操作以及信号量、消息队列、定时器等实时操作系统的特性。在具体的应用程序开发中，开发人员可以通过组合和配置这些基本概念来实现具体的应用功能。
总之，FreeRTOS是一款可靠、可移植、省内存、易用的实时嵌入式操作系统，是小型嵌入式系统和微控制器开发的有力工具。

二、堆

1.概念介绍

堆（Heap）是计算机中的一种动态内存分配方法，是一块自由存储区域，可按需求动态分配和释放内存。堆的特点是应用程序可以根据需要在堆上分配内存大小和释放内存，而不会预留和浪费内存空间。堆的实现通常依赖于底层的操作系统或者运行时库。

堆的数据结构通常是由一个堆顶指针来表示堆的起始地址，堆中的内存被划分为多个块，每个块上都有一个头部来记录当前块的状态和大小等信息，并且块按照大小顺序排列。应用程序可以通过调用malloc和free函数来在堆上动态分配和释放内存。当在堆上分配内存时，malloc函数会在堆上找到一块足够的连续内存空间，并返回其首地址，而当释放内存时，free函数会将被释放的内存块标记为可用，并放回堆中由堆管理器维护。

2.简单实现

char heap_buf[1024];//定义一块空闲内存空间
int pos = 0;//指向分配好的空间的第一个位置/*
size:要分配内存的大小
*/
void *my_malloc(int size)
{int old_pos = pos;pos += size;//移动位置return &heap_buf[old_pos];//返回分配好的内存空间
}

这里画一张图让大家更好的理解：
在这里插入图片描述
使用：

char *buf = my_malloc(100);for (i = 0; i < 100; i++)
{buf[i] = i;
}

三、栈

在FreeRTOS中，栈起着非常重要的作用。每个任务都需要一个堆栈来存储其运行时的上下文环境和局部变量。栈的大小和分配方式都会影响到任务的执行效率和系统稳定性。

在FreeRTOS中，任务的创建时需要指定任务的堆栈大小，在任务开始前系统会为任务分配指定大小的内存空间作为堆栈。

可见栈在FreeRTOS中还是非常重要的。

我们来举一个简单的例子看看栈具体的作用实现：

这个程序看起来是非常简单的，就是在main函数中调用funA在funA函数中调用funB和funC，但是里面却包含了栈的很多知识点。
这里先提几个问题后面我们进行讲解，当指向完函数funA后程序是怎么知道要跳转回到main函数中执行retrun 0的？

void funB(void)
{}void funC(void)
{}void funA(void)
{funB();funC();
}int main(void)
{funA();retrun 0;
}

这里就需要先介绍一个非常重要的寄存器和函数栈的概念了：

LR寄存器介绍：

LR寄存器是ARM体系结构中的一种寄存器，全称为Link Register，用于存储返回地址。在ARM处理器中，函数调用时将返回地址存储在LR寄存器中。当函数返回时，处理器通过读取LR寄存器中的返回地址来跳转回调用函数的位置，从而实现函数返回和程序流转。

函数栈的介绍：

函数调用时使用的栈通常被称为函数栈。函数栈是一种数据结构，具有后进先出（LIFO）的特点，并且往往是在程序运行时通过内存分配来创建的。函数栈用于存储函数调用过程中的局部变量、函数参数、返回地址以及其他必要的堆栈帧数据。

每个函数在进入时需要在栈中创建一个堆栈帧，堆栈帧包含了函数所需的所有信息，如函数参数、局部变量、函数调用者的帧指针、返回地址等。随着函数的运行，堆栈中会不断地分配新的堆栈帧，并在函数返回时依次弹出这些帧以回收内存空间。

函数栈的常见使用场景包括：函数的参数和局部变量的存储、异常处理和调试等。

介绍完这些概念后我们就来分析上面的这个程序：

1.首先会调用到funA函数，当调用funA函数时相应的会创建出一个funA函数的栈，然后将retrun 0这段代码的返回地址保存到funA栈中的LR寄存器中。
2.进入funA函数后调用funB函数，对应的也会创建出一个funB函数的栈，然后将funC这段代码的返回地址保存到funB栈中的LR寄存器中。
3.同样的调用funC时也会创建出对应的栈用来保存返回地址。

4.当函数funB执行完成后会从栈中取出LR保存的返回地址去执行funC函数。
5.当函数funA执行完成后会从栈中取出LR保存的返回地址去执行retrun 0这条语句。

下面画一张图让大家更好的理解栈中存储的内容：

在这里插入图片描述
每一个函数都会有自己的栈空间，这些栈空间是互相独立的不会互相干扰。当执行完对应的函数后会从函数栈中将LR寄存器中保存的地址取出来去执行相对于的语句或者函数。