39 C语言进阶到上手大纲

小节：实时操作系统基础

1. 实时操作系统概述

• 定义：实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于处理实时应用程序的操作系统。
• 特性：
  • 确定性：能够在预定时间内完成任务。
  • 多任务：支持多个任务并能够合理调度它们。
  • 优先级调度：任务有优先级，系统根据优先级调度任务。

2. 实时系统的分类

• 硬实时系统：必须在严格的时间限制内完成任务。
• 软实时系统：尽量在时间限制内完成任务，但不必严格遵守。

3. 实时任务的调度

• 调度算法：
  • 固定优先级调度（如 Rate Monotonic Scheduling）：优先级根据任务周期决策。
  • 动态优先级调度（如 Earliest Deadline First）：根据任务的紧迫性动态调整优先级。

4. 常见的RTOS

• FreeRTOS：开源RTOS，常用于嵌入式系统。
• ChibiOS：高效、轻量的RTOS，具有多种功能。
• RTEMS：适合于高可靠性和高性能的场合。

5. FreeRTOS实例

5.1 安装FreeRTOS

• 下载FreeRTOS源代码并添加到项目中。

5.2 创建一个简单的RTOS任务

#include <FreeRTOS.h>
#include <task.h>

// 定义任务句柄
TaskHandle_t xTaskHandle = NULL;

// 任务函数
void vTaskFunction(void *pvParameters) {
    // 任务循环
    for(;;) {
        // 做一些工作
        printf("Task is running\n");
        // 挂起一段时间
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延迟1000毫秒
    }
}

int main(void) {
    // 创建任务
    xTaskCreate(vTaskFunction, "Task1", 1000, NULL, 1, &xTaskHandle);
    
    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();
    
    // 程序不应执行到这里
    for(;;);
    return 0;
}

6. 任务间通信

• 消息队列：任务之间通过消息队列进行通信。
• 信号量：用于同步和互斥。
• 事件组：多任务共享的一组事件。

6.1 使用消息队列

#include <FreeRTOS.h>
#include <queue.h>

// 定义消息队列
QueueHandle_t xQueue;

void senderTask(void *pvParameters) {
    int valueToSend = 0;
    for(;;) {
        xQueueSend(xQueue, &valueToSend, portMAX_DELAY);
        valueToSend++;
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

void receiverTask(void *pvParameters) {
    int receivedValue;
    for(;;) {
        xQueueReceive(xQueue, &receivedValue, portMAX_DELAY);
        printf("Received value: %d\n", receivedValue);
    }
}

int main(void) {
    xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int)); // 创建消息队列
    // 创建任务
    xTaskCreate(senderTask, "Sender", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(receiverTask, "Receiver", 1000, NULL, 1, NULL);
    
    vTaskStartScheduler();
    for(;;);
    return 0;
}

7. 实时系统中的资源管理

• 内存管理：RTOS通常提供特定的内存分配方式，以避免碎片化。
• 时间管理：提供精确的定时器和时间切片功能。

8. 调试和性能分析

• RTOS调试：使用调试工具和日志功能检查任务状态或堆栈信息。
• 性能评估：测量任务的响应时间和处理能力，优化系统设计以满足实时要求。

9. 实战项目示例

• 项目描述：开发一个简单的实时控制应用，例如LED闪烁和温度监测。
• 项目实现：
  • 创建任务控制LED状态和读取温度传感器数据。
  • 通过消息队列实现任务间的通信。

10. 重要概念总结

• 理解实时性与并发性的区别。
• 掌握基本的RTOS功能，能创建任务并进行同步与通信。
• 实际操作与编码中积累经验，不断优化RTOS应用。

以上内容提供了实时操作系统的基础知识和操作实例，为你深入学习C语言及RTOS奠定基础。