1.实时操作系统与非实时操作系统的区别

FreeRTOS中优先级的数值越小，代表该任务的优先级越低，最低优先级为0

解释：哈皮狗的优先级最高次之是汤姆猫最后是杰瑞鼠之后依然用这个例子

现在有一块大肥肉，哈皮狗汤姆猫杰瑞鼠都想吃那么谁先吃呢？
杰瑞鼠看到了一块大肥肉(CPU),迫不及待的就去吃，刚吃一口，汤姆猫来了，杰瑞鼠立刻溜之大吉。汤姆猫开始享受美味，汤姆猫吃饱了离开了/汤姆猫被主人叫走离开了，杰瑞鼠才能继续吃这块肉，你要是问我？汤姆猫要是把肉吃完了，，，，，，你走！
在实时操作系统中，低优先级任务1正在执行，高优先级任务2来了，立刻执行高优先级任务2，只有高优先级任务2执行完或者主动挂起了，任务一才能执行。

杰瑞鼠正在吃肉，汤姆猫还被主人抱着，只有杰瑞鼠吃饱了或者去睡觉了，这块肉才能让汤姆猫吃，同理，最后才轮到哈皮狗来吃。

在非实时操作系统中，CPU不能被抢占，就算高优先级任务就绪了，也要等着低优先级任务挂起/执行完才能够得到CPU的使用权。

你自己想想实时操作系统重要不？比如：你正在开车，正在打开窗户，突然间前面是红灯/一辆车，你想踩刹车，但是窗户正在打开，不让执行刹车命令，后果是啥？

2.FreeRTOS操作系统功能

优先级调度算法：哈皮狗吃完汤姆猫吃汤姆猫吃完杰瑞鼠吃，总是让优先级高的先吃
轮换调度算法：汤姆猫跟杰瑞鼠成为了好朋友，处于同一优先级了。那么肉就可以一起吃

3.任务调度机制的实现

任务调度机制是嵌入式实时操作系统的一个重要概念，也是其核心技术。对于可剥夺型内核，优先级高的任务一旦就绪就能剥夺优先级较低任务的 CPU使用权，提高了系统的实时响应能力。
解释：哈皮狗来了，汤姆猫你就立刻给我gun。

4.FreeRTOS 支持的调度方式

抢占式调度，时间片调度和合作式调度。实际应用主要是抢占式调度和时间片调度，合作式调度用到的很少。

抢占式调度:每个任务都有不同的优先级，任务会一直运行直到被高优先级任务抢占或遇到阻塞式的 API 函数，比如 vTaskDelay

时间片调度：每个任务都有相同的优先级，任务会运行固定的时间片个数或者遇到阻塞式的 API 函数，比如vTaskDelay，才会执行同优先级任务之间的任务切换。
解释：三个都是朋友了，哈皮狗吃3分钟后，汤姆猫吃2分钟，杰瑞鼠吃1分钟。

5.什么是调度器？

调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的任务。所有的调度器有一个共同的特性：

1.调度器可以区分就绪态任务和挂起任务（由于延迟，信号量等待，邮箱等待，事件组等待等原因而使得任务被挂起）。
2.调度器可以选择就绪态中的一个任务，然后激活它（通过执行这个任务）。当前正在执行的任务是运行态的任务
3.不同调度器之间最大的区别就是如何分配就绪态任务间的完成时间。

嵌入式实时操作系统的核心就是调度器和任务切换，调度器的核心就是调度算法。任务切换的实现在不同的嵌入式实时操作系统中区别不大，基本相同的硬件内核架构，任务切换也是相似的。调度算法就有些区别了。
解释：调度器就相当于猫和老鼠中的主人，我让你吃你就吃，让你睡你就睡，就算你正在吃也可以让你离开。

6.抢占式调度器基本概念

抢占式调度才是Freertos的重中之重。

你想，在抢占式调度的情况下，最高优先级到来了，就立刻执行最高的优先级，总是把最重要的放到第一位。

使用抢占式调度器，使得最高优先级的任务什么时候可以得到 CPU 的控制权并运行是可知的，同时使得任务级响应时间得以最优化。

总结：每个任务都被分配了不同的优先级，抢占式调度器会获得就绪列表中优先级最高的任务，并运行这个任务。

7.FreeRTOS 抢占式调度器的实现

如果用户在 FreeRTOS 的配置文件 FreeRTOSConfig.h 中禁止使用时间片调度，那么每个任务必须配置不同的优先级。

杰瑞鼠开始吃，汤姆猫来了。
杰瑞鼠跑，汤姆猫吃。
汤姆猫吃了一会，糟糕，哈皮狗来了，赶快溜。
哈皮狗吃着，主人叫了一声离开了。
汤姆猫见状，立马飞奔去吃，杰瑞鼠打不过只好看着。
汤姆猫吃着一看哈皮狗来了，跑呀，，，
哈皮狗继续吃。

官话：创建 3 个任务 Task1(杰瑞鼠)，Task2(汤姆猫) 和 Task3(哈皮狗)。
1 .任务 Task1 在运行中，运行过程中由于 Task2 就绪，在抢占式调度器的作用下任务 Task2 抢占 Task1 的执行。 Task2 进入到运行态，Task1由运行态进入到就绪态。
2 .任务 Task2 在运行中，运行过程中由于 Task3 就绪，在抢占式调度器的作用下任务 Task3 抢占 Task2 的执行。 Task3 进入到运行态，Task2 由运行态进入到就绪态。
3 .任务 Task3 运行过程中调用了阻塞式 API函数，比如 vTaskDelay，任务 Task3 被挂起，在抢占式调度器的作用下查找到下一个要执行的最高优先级任务是 Task2，任务 Task2 由就绪态进入到运行态。
4 . 任务 Task2 在运行中，运行过程中由于 Task3 再次就绪，在抢占式调度器的作用下任务 Task3 抢占 Task2 的执行。 Task3 进入到运行态，Task2 由运行态进入到就绪态。

8.时间片调度器基本概念

时间片调度适合用于不要求任务实时响应的情况，Round-robin 调度算法需要给同优先级的任务分配一个专门的列表，用于记录当前就绪的任务，并为每个任务分配一个时间片（也就是需要运行的时间长度，时间片用完了就进行任务切换）。

在 FreeRTOS 操作系统中只有同优先级任务才会使用时间片调度，另外还需要用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定义：
#define configUSE_TIME_SLICING 1 默认情况下，此宏定义已经在 FreeRTOS.h 文件里面使能了，用户可以不用在 FreeRTOSConfig.h 文件中再单独使能。

规定狗猫鼠都只能吃10s
杰瑞鼠吃10s，汤姆猫吃。
汤姆猫吃7s时，主人叫走了。还少吃3s，没办法。
立刻，哈皮狗吃10s。
接着再从杰瑞鼠开始吃。
注意：下一轮吃的时候，汤姆猫没被叫走的话，也是吃10s。

官话：创建 3 个任务 Task1(杰瑞鼠)，Task2(汤姆猫) 和 Task3(哈皮狗)。
每个任务分配的时间片大小是 10个系统时钟节拍。
1.先运行任务 Task1，运行够 10 个系统时钟节拍后，通过时间片调度切换到任务 Task2。
2. 任务 Task2 运行够 7个系统时钟节拍后，调用了阻塞式 API 函数，调用函数时，虽然 10 个系统时钟节拍的时间片大小还没有用完，此时依然会通过时间片调度切换到下一个任务 Task3。（注意，没有用完的时间片不会再使用，下次任务 Task3 得到执行还是按照 10个系统时钟节拍运行）
3. 任务 Task3 运行够 10个系统时钟节拍后，通过时间片调度切换到任务 Task1。

总结：时间片调度和抢占式调度我们一般都是开启了的，这样优先级相同时，使用时间片调度，优先级不同时，使用抢占式调度。默认情况下，在 freertos.h 中使能了时间片调度。而抢占式调度需要我们用户自己开启，一般在 freertosconfig.h 中使能

9. 时间管理的实现

汤姆猫吃到xTickCount=7s时，被叫走了。
汤姆猫离开了xTicksToDelay s，回来了，
此时是xTimeToWake 。
把这个时间记录下来
如果再从新开始吃，
没有溢出：xTimeToWake >xTickCount
发生溢出：xTimeToWake <xTickCount

官话：FreeRTOS 提供的典型时间管理函数是 vTaskDelay()，调用此函数可以实现将任务延时一段特定时间的功能。
FreeRT0S 中，若一个任务要延时 xTicksToDelay 个时钟节拍，系统内核会把当前系统已运行的时钟节拍总数(定义为 xTickCount，32 位长度)加上 xTicksToDelay 得到任务下次唤醒时的时钟节拍数
xTimeToWake。然后，内核把此任务的任务控制块从就绪链表中删除，把 xTimeToWake 作为结点值赋予任务的xItemValue，再根据 xTimeToWake 的值把任务控制块按照顺序插入不同的链表。
若 xTimeToWake >xTickCount，即计算中没有出现溢出，内核把任务控制块插入到 pxDelayedTaskList 链表；
若 xTimeToWak e<xTickCount，即在计算过程中出现溢出，内核把任务控制块插入到 pxOverflowDelayed-Taskust 链表。

10.内存分配策略

每当任务、队列和信号量创建的时候，FreeRTOS 要求分配一定的 RAM。虽然采用 malloc()和 free()函数可以实现申请和释放内存的功能，但这两个函数存在以下缺点：
并不是在所有的嵌入式系统中都可用，要占用不定的程序空间，可有着人性欠缺以及执行时间具有不可确定性等缺点。为此，除了可采用
malloc()和 free()函数外，FreeRTOS 还提供了另外两种内存分配的策略，用户可以根据实际需要选择不同的内存分配策略。

第 1 种方法是，按照需求内存的大小简单地把一大块内存分割为若干小块，每个小块的大小对应于所需求内存的大小。这样做的好处是比较简单，执行时间可严格确定，适用于任务和队列全部创建完毕后再进行内核调度的系统；这样做的缺点是，由于内存不能有效释放，系统运行时应用程序并不能实现删除任务或队列。

哈皮狗吃的多分的多，汤姆猫中等就次之，杰瑞鼠吃的少就分的少，正好对应各自的需求。

第 2 种方法是，采用链表分配内存，可实现动态的创建、删除任务或队列。系统根据空闲内存块的大小按从小到大的顺序组织空闲内存链表。当应用程序申请一块内存时，系统根据申请内存的大小按顺序搜索空闲内存链表，找到满足申请内存要求的最小空闲内存块。为了提高内存的使用效率，在空闲内存块比申请内存大的情况下，系统会把此空闲内存块一分为二。一块用于满足申请内存的要求，一块作为新的空闲内存块插入到链表中。

比如：一块肉30斤，分了3份。5斤，10斤，15斤
汤姆猫的饭量是8斤。所以分给汤姆猫的是10斤肉，
但是还有两斤吃不完，那就当作了空闲的肉。

总结：

参考：微信公众号 “硬件十万个为什么”
欢迎指正！

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