嵌入式實時操作系統：FreeRTOS原理、架構與開發(微課視頻版)（簡體書）

本書以FreeRTOS實時操作系統為基礎，使用STM32F407為MCU核心的開發板，講解嵌入式實時操作系統控制。本書內容翔實，案例豐富，操作性極強；配有微視頻和課件，幫助讀者高效學習。

奚海蛟 全國工業和信息化職業教育教學指導委員會電子信息職業教育教學指導分委員會委員，北京航空航天大學博士後，長期從事嵌入式、物聯網、人工智能、無人機等領域的科學研究、技術開發和人才培養工作，主持研發了航空航天、軌道交通、風力發電、光纖通信等方向的多個重大項目，為企業培養、推薦近萬名嵌入式技術人才。被評為武漢“3551人才引進計劃”第八批重點人才，擁有近20項各類專利，出版10余部圖書。

本書內容翔實，案例豐富，操作性極強，配有微視頻和課件；可作為高校電子信息、 通信工程、信息工程等相關專業的教材，也適合作為嵌入式領域科技工作者參考。

在嵌入式領域，嵌入式實時操作系統（Embedded Real Time Operation System，RTOS）正得到越來越廣泛的應用。採用RTOS可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應用軟件的設計，縮短系統開發時間，更好地保證系統的實時性和可靠性。

由於RTOS需占用一定的系統資源（尤其是RAM資源），只有μC/OSⅡ、embOS、salvo、FreeRTOS等少數實時操作系統能夠在“小”RAM單片機上運行。相比於μC/OSⅡ、embOS等商業操作系統，FreeRTOS操作系統是完全免費的，具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行。本書所使用的FreeRTOS版本為10.3.0。

作為一個輕量級的操作系統，FreeRTOS提供的功能包括任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統的需要。FreeRTOS內核支持優先級調度算法，每個任務可根據重要程度的不同被賦予一定的優先級，CPU總是讓處於就緒態的、優先級最高的任務先運行。FreeRTOS內核同時支持輪換調度算法，系統允許不同的任務使用相同的優先級； 在沒有更高優先級任務就緒的情況下，同一優先級的任務共享CPU的使用時間。

在嵌入式領域，FreeRTOS是為數不多的，同時具有實時性、開源性、可靠性、易用性、多平臺支持等特點的嵌入式操作系統。目前，FreeRTOS已經發展到支持包含x86、Xilinx、Altera等多達30種硬件平臺，其廣闊的應用前景已經越來越受到業內人士的關注。

本書基於STM32F4開發板，使用的芯片型號為STM32F407VGTx。STM32F4系列包含高速嵌入式存儲器和廣泛的增強型I/O和外設，連接到2個APB總線、3個AHB總線和1個32位多AHB總線矩陣； 使用64KB CCM（內核耦合存儲器）數據RAM、LCD並行接口，MUC接口採用8080/6800模式； 具有正交（增量）編碼器輸入的定時器； 5V容錯I/O； 並行攝像頭接口； 真隨機數發生器； RTC，具有亞秒級精度，硬件日歷； 96位唯一ID。

本書分10章系統論述FreeRTOS實時操作系統開發。第1~7章講述FreeRTOS基礎開發； 第8~10章側重於拓展應用。其中，第1章介紹FreeRTOS實時操作系統、FreeRTOS實時操作系統的移植方法以及FreeRTOS的配置文件； 第2章介紹FreeRTOS的任務，包括任務創建、任務刪除、任務掛起、任務切換、任務調度、任務信息、中斷優先級、任務優先級以及臨界區； 第3章介紹FreeRTOS時間管理，包括時間片輪轉以及任務延時； 第4章介紹FreeRTOS任務棧，包括內存分配失敗回調函數、堆棧溢出以及選擇堆棧大小； 第5章介紹FreeRTOS內存管理，包括內存的申請和釋放以及內存分配； 第6章介紹FreeRTOS任務間通信，包括消息隊列、二進制信號量、計數信號量、互斥信號量、遞歸互斥信號量、任務通知以及事件組； 第7章介紹FreeRTOS定時器與低功耗； 第8章介紹FreeRTOS CLI命令行界面，通過CLI的移植以及創建命令的方法與實現展開敘述； 第9章介紹FreeRTOS FAT文件系統，通過對文件系統的標準文件系統接口的講述可以實現對文件的增刪改查功能； 第10章介紹FreeRTOS的網絡編程，對TCP/IP、UDP、TCP客戶端以及TCP服務器展開敘述。

本書適用於Windows 10系統； 使用的編譯軟件為MDK 5.18； 固件庫為STM32F4xx HAL庫； FreeRTOS版本為10.3.0； 書中全部案例均在武漢飛航科技有限公司生產的飛航STM32F407開發板上測試通過。

本書主要由奚海蛟老師及相關研發人員編寫，所有作者均有多年嵌入式設計研發及應用經驗。同時，本書凝聚了武漢飛航科技有限公司和北京鴻爐科技有限公司技術團隊（楊金星、李澤、王飛、石雄偉、朱世杰）的辛勤勞動，在此對他們一一表示感謝。

由於編者水平所限，並且時間倉促，書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者批評指正。

作者提供長期、有效的答疑服務，期待與讀者交流相關技術問題、行業應用或合作意向等話題。

互動交流

本書可作為本科及高職院校電子信息類專業的教材，也可作為嵌入式技術愛好者與工程師的參考資料。

編者2023年3月

第1章FreeRTOS入門

1.1FreeRTOS簡介

1.1.1實時多任務操作系統

1.1.2FreeRTOS

1.2FreeRTOS移植

1.2.1開發原理

1.2.2開發步驟

1.3FreeRTOS配置文件

第2章FreeRTOS任務

2.1任務創建

2.1.1開發原理

2.1.2開發步驟

2.1.3運行結果

2.2任務刪除

2.2.1開發原理

2.2.2開發步驟

2.2.3運行結果

2.3任務掛起

2.3.1開發原理

2.3.2開發步驟

2.3.3運行結果

2.4任務切換

2.4.1開發原理

2.4.2開發步驟

2.4.3運行結果

2.5任務調度

2.6任務信息

2.6.1開發原理

2.6.2開發步驟

2.6.3運行結果

2.7中斷優先級與任務優先級

2.7.1開發原理

2.7.2開發步驟

2.7.3運行結果

2.8臨界區

2.8.1開發原理

2.8.2開發步驟

2.8.3運行結果

第3章FreeRTOS時間管理

3.1時間片輪轉

3.1.1開發原理

3.1.2開發步驟

3.1.3運行結果

3.2任務延時

3.2.1開發原理

3.2.2開發步驟

3.2.3運行結果

第4章FreeRTOS任務棧

4.1內存分配失敗回調函數

4.1.1開發原理

4.1.2開發步驟

4.1.3運行結果

4.2任務棧溢出

4.2.1開發原理

4.2.2開發步驟

4.2.3運行結果

4.3選擇任務棧大小

4.3.1開發原理

4.3.2開發步驟

4.3.3運行結果

第5章FreeRTOS內存管理

5.1內存申請和釋放

5.1.1開發原理

5.1.2開發步驟

5.1.3運行結果

5.2內存分配

第6章FreeRTOS任務間通信

6.1消息隊列

6.1.1開發原理

6.1.2開發步驟

6.1.3運行結果

6.2二進制信號量

6.2.1開發原理

6.2.2開發步驟

6.2.3運行結果

6.3計數信號量

6.3.1開發原理

6.3.2開發步驟

6.3.3運行結果

6.4互斥信號量

6.4.1開發原理

6.4.2開發步驟

6.4.3運行結果

6.5遞歸互斥信號量

6.5.1開發原理

6.5.2開發步驟

6.5.3運行結果

6.6任務通知

6.6.1開發原理

6.6.2開發步驟

6.6.3運行結果

6.7事件組

6.7.1開發原理

6.7.2開發步驟

6.7.3運行結果

第7章FreeRTOS定時器與低功耗

7.1定時器

7.1.1開發原理

7.1.2開發步驟

7.1.3運行結果

7.2低功耗

7.2.1開發原理

7.2.2開發步驟

7.2.3運行結果

第8章命令行界面

8.1FreeRTOS CLI移植

8.1.1開發原理

8.1.2開發步驟

8.1.3運行結果

8.2FreeRTOS CLI配置和使用

8.2.1開發原理

8.2.2開發步驟

8.2.3運行結果

第9章嵌入式文件系統開發

9.1FreeRTOS FAT移植

9.1.1開發原理

9.1.2開發步驟

9.1.3運行結果

9.2FreeRTOS FAT文件夾創建

9.2.1開發原理

9.2.2開發步驟

9.2.3運行結果

9.3FreeRTOS FAT文件讀寫

9.3.1開發原理

9.3.2開發步驟

9.3.3運行結果

9.4FreeRTOS FAT文件操作

9.4.1開發原理

9.4.2開發步驟

9.4.3運行結果

第10章嵌入式網絡編程開發

10.1FreeRTOS TCP/IP移植

10.1.1開發原理

10.1.2開發步驟

10.1.3運行結果

10.2FreeRTOS UDP

10.2.1開發原理

10.2.2開發步驟

10.2.3運行結果

10.3FreeRTOS TCP客戶端

10.3.1開發原理

10.3.2開發步驟

10.3.3運行結果

10.4FreeRTOS TCP服務器

10.4.1開發原理

10.4.2開發步驟

10.4.3運行結果

參考文獻