詳解FreeRTOS：嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)

目前常見的嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)有三種可以分為：輪詢系統(tǒng)架構(gòu)、前后臺系統(tǒng)架構(gòu)和多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)。

1輪詢系統(tǒng)架構(gòu)

輪詢系統(tǒng)架構(gòu)是最簡單的一種軟件結(jié)構(gòu)，主程序是一段無限循環(huán)的代碼，在循環(huán)中順序查詢各個條件，如果滿足就執(zhí)行相應(yīng)的操作。

這種方案的好處是實現(xiàn)簡單，邏輯清晰，便于開發(fā)人員掌握。但是每個事件的查詢和處理時間是不能確定的，假如前面的操作時間較長，那么后面的操作必然會被延遲。

如下圖所示，假如步驟1操作需要很久，那么步驟2必然得不到及時處理，如果步驟2的工作很重要或者很緊急，那么系統(tǒng)的性能和響應(yīng)能力就很差了。

示例偽代碼如下所示：

int main(void)
{
    HwInit();                //初始化外設(shè)
  while(1)
  {
    statement_1;         //語句1
    statement_2;         //語句2 
    statement_3;         //語句3
    ......
  }
  return 0;
}

2前后臺系統(tǒng)架構(gòu)

相對輪詢系統(tǒng)架構(gòu)，前后臺系統(tǒng)架構(gòu)對外部事件的處理做了優(yōu)化，前后臺系統(tǒng)架構(gòu)是由中斷驅(qū)動的。

主程序依然是一段無限循環(huán)的代碼，稱為后臺程序，而事件的響應(yīng)則由中斷來完成，稱為前臺程序。

在后臺程序執(zhí)行時，如果有外部事件發(fā)生，則前臺的中斷程序會打斷后臺程序。在完成必要的事件響應(yīng)之后，前臺中斷程序退出并通知后臺程序來繼續(xù)操作，由后臺程序完成事件的后繼處理。

從代碼功能上講，事件的響應(yīng)和處理分為了兩個部分。因為中斷自身有優(yōu)先級和嵌套的功能，所以優(yōu)先級高的事件能夠得到及時響應(yīng)。但后臺程序仍然需要按順序處理各個事件的后繼事務(wù)。

在中斷源之間有優(yōu)先級的概念，ISR會首先響應(yīng)事件，簡單的事件可以在ISR中直接處理，復雜的情況下則記錄下必要數(shù)據(jù)和狀態(tài)標記，等所有中斷處理結(jié)束后，將由后臺主函數(shù)按順序處理各個事件。也可以理解，事件的響應(yīng)是支持優(yōu)先級的，但事件的最終處理卻是順序的。

使用中斷來代替輪詢方案中事件的查詢操作，對事件的響應(yīng)能力有較大改善。

示例偽代碼如下所示：

int main(void)
{
    HwInit();                //初始化外設(shè)
  while(1)
  {
    statement_1;         //語句1
    statement_2;         //語句2 
    statement_3;         //語句3
    ......
  }
  return 0;
}


void interrupt_event(void)
{
    statement_4;         //語句4
    return 0;
}

3多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

相對于前后臺系統(tǒng)架構(gòu)，多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)在響應(yīng)事件的時候，同樣是由多個中斷處理程序完成的。但是對于事件的后繼操作則是由多個任務(wù)來處理的，也就是說每個任務(wù)處理它所負責的事件。

在基于優(yōu)先級的多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)中，因為任務(wù)間存在優(yōu)先級高、低的關(guān)系，優(yōu)先級高的任務(wù)可打斷低優(yōu)先級任務(wù)的運行而取得CPU的優(yōu)先使用權(quán)，這樣優(yōu)先級高的事件就能及時得到處理；在基于分時機制的多任務(wù)系統(tǒng)中，任務(wù)間則按比例輪流占用處理器。

因為多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)允許將具體的應(yīng)用系統(tǒng)分成若干個相對獨立的任務(wù)來管理，所以多任務(wù)操作系統(tǒng)的使用可以簡化應(yīng)用程序的設(shè)計，系統(tǒng)也變得簡潔且便于維護和擴展。對實時性要求嚴格的事件都能得到及時可靠的處理。不過多任務(wù)操作系統(tǒng)自身將消耗更多的處理器、存儲器等硬件資源，這是引入多任務(wù)機制的必要代價。

示例偽代碼如下所示：

int main(void)
{
    HwInit();                //初始化外設(shè)
    OS_Init();               //初始化系統(tǒng)
    OS_Start();              //運行內(nèi)核調(diào)度
  while(1)
  {      
    ......
  }
  return 0;
}


//任務(wù)1
void task_1(void)
{
  task_statement_1;
  task_statement_2;
  task_statement_3;
  OS_delay();
}


//任務(wù)2
void task_2(void)
{
  task_statement_1;
  task_statement_2;
  task_statement_3;
  OS_delay();
}


//任務(wù)3
void task_3(void)
{
  task_statement_1;
  task_statement_2;
  task_statement_3;
  OS_delay();
}

4區(qū)別

最后，對比一下三種嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)的特點和區(qū)別，如下表所示：

本專欄將開啟對FreeRTOS多任務(wù)操作系統(tǒng)的學習，感興趣的小伙伴敬請期待~

審核編輯：湯梓紅