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FreeRTOS常考面试题总结

一、FreeRTOS基本概念

1. FreeRTOS简介

• FreeRTOS是一个开源、轻量级的实时操作系统
• 专为微控制器和小型嵌入式系统设计
• 核心代码仅包含三个C文件：tasks.c、queue.c和list.c
• 支持多种架构：ARM Cortex-M、PIC、AVR等

2. 任务的概念

• 任务是FreeRTOS中的执行单元，类似于线程
• 每个任务有自己的栈空间和上下文
• 任务通常包含一个无限循环，不应该退出
• 任务函数原型：

void TaskFunction(void *pvParameters);

二、任务创建与管理

1. 任务创建

BaseType_t xTaskCreate(
    TaskFunction_t pvTaskCode,       // 任务函数指针
    const char * const pcName,       // 任务名称
    uint16_t usStackDepth,           // 栈深度(字)
    void *pvParameters,              // 传递给任务的参数
    UBaseType_t uxPriority,          // 任务优先级
    TaskHandle_t *pxCreatedTask      // 任务句柄
);

实际应用示例：

void vLEDTask(void *pvParameters) {
    for(;;) {
        // 翻转LED状态
        GPIO_ToggleBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);
        // 延时500ms
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

// 创建任务
TaskHandle_t xLEDTaskHandle = NULL;
xTaskCreate(
    vLEDTask,           // 任务函数
    "LED_Task",         // 任务名称
    configMINIMAL_STACK_SIZE,  // 栈大小
    NULL,               // 参数
    tskIDLE_PRIORITY + 1,      // 优先级
    &xLEDTaskHandle     // 任务句柄
);

2. 任务状态及转换

FreeRTOS任务状态：

• 运行态(Running)：当前正在执行的任务
• 就绪态(Ready)：准备好执行但未获得CPU
• 阻塞态(Blocked)：等待事件或超时
• 挂起态(Suspended)：通过API显式挂起
• 删除态(Deleted)：任务已删除但资源未释放

状态转换图：

                  ┌─────────────┐
                  │   创建任务   │
                  └──────┬──────┘
                         ▼
┌─────────┐      ┌─────────────┐      ┌─────────┐
│  挂起态  │◄────►│    就绪态    │◄────►│ 阻塞态  │
└─────────┘      └──────┬──────┘      └─────────┘
                         │▲
                         ▼│
                  ┌─────────────┐
                  │    运行态    │
                  └──────┬──────┘
                         ▼
                  ┌─────────────┐
                  │    删除态    │
                  └─────────────┘

3. 任务优先级管理

// 设置任务优先级
BaseType_t xTaskPrioritySet(
    TaskHandle_t xTask,          // 任务句柄
    UBaseType_t uxNewPriority    // 新优先级
);

// 获取任务优先级
UBaseType_t uxTaskPriorityGet(TaskHandle_t xTask);

优先级抢占示例：

void vHighPriorityTask(void *pvParameters) {
    for(;;) {
        // 高优先级任务执行
        printf("高优先级任务运行\r\n");
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

void vLowPriorityTask(void *pvParameters) {
    for(;;) {
        // 低优先级任务执行
        printf("低优先级任务运行\r\n");
        
        // 提高自身优先级
        vTaskPrioritySet(NULL, uxTaskPriorityGet(NULL) + 1);
        printf("低优先级任务提升优先级\r\n");
        
        // 恢复原优先级
        vTaskPrioritySet(NULL, uxTaskPriorityGet(NULL) - 1);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    }
}

三、任务调度与同步

1. 调度算法

• FreeRTOS默认使用抢占式优先级调度
• 高优先级任务可以抢占低优先级任务
• 同优先级任务使用时间片轮转调度

调度器配置：

// 启动调度器
vTaskStartScheduler();

// 挂起调度器
vTaskSuspendAll();

// 恢复调度器
xTaskResumeAll();

2. 任务延时

// 绝对延时(阻塞指定时钟节拍数)
void vTaskDelay(TickType_t xTicksToDelay);

// 相对延时(保证任务间隔固定)
void vTaskDelayUntil(
    TickType_t *pxPreviousWakeTime,  // 上次唤醒时间
    TickType_t xTimeIncrement        // 增量时间
);

精确周期任务实现：

void vPeriodicTask(void *pvParameters) {
    TickType_t xLastWakeTime;
    const TickType_t xPeriod = pdMS_TO_TICKS(100); // 100ms周期
    
    // 初始化上次唤醒时间
    xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
    
    for(;;) {
        // 执行周期性任务
        DoPeriodicWork();
        
        // 精确延时到下一个周期
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xPeriod);
    }
}

3. 任务同步与通信

• 信号量(Semaphore)：控制资源访问
• 互斥量(Mutex)：带优先级继承的信号量
• 事件组(Event Group)：多事件等待
• 消息队列(Queue)：任务间数据传递
• 任务通知(Task Notification)：轻量级通信机制

任务通知示例：

// 发送任务通知
void vSenderTask(void *pvParameters) {
    TaskHandle_t xReceiverHandle = (TaskHandle_t)pvParameters;
    
    for(;;) {
        // 发送通知，值为0x01
        xTaskNotify(xReceiverHandle, 0x01, eSetBits);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

// 接收任务通知
void vReceiverTask(void *pvParameters) {
    uint32_t ulNotifiedValue;
    
    for(;;) {
        // 等待通知，超时时间为portMAX_DELAY(永久等待)
        if(xTaskNotifyWait(0, 0xFFFFFFFF, &ulNotifiedValue, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            if((ulNotifiedValue & 0x01) != 0) {
                // 处理通知
                printf("收到通知: 0x%08lx\r\n", ulNotifiedValue);
            }
        }
    }
}

四、内存管理与栈溢出检测

1. 内存分配方案

• 堆1(heap_1)：最简单的分配方案，不支持释放
• 堆2(heap_2)：支持释放，但可能产生碎片
• 堆3(heap_3)：使用标准库malloc/free
• 堆4(heap_4)：支持合并相邻空闲块
• 堆5(heap_5)：类似堆4，但支持跨多个内存区域

内存分配函数：

// 分配内存
void *pvPortMalloc(size_t xSize);

// 释放内存
void vPortFree(void *pv);

2. 栈溢出检测

• 栈溢出检测方法： 栈溢出钩子函数栈溢出保护区运行时栈使用量检测

栈溢出钩子函数：

void vApplicationStackOverflowHook(
    TaskHandle_t xTask,
    char *pcTaskName
) {
    // 栈溢出处理
    printf("栈溢出: 任务名 = %s\r\n", pcTaskName);
    // 系统复位或其他处理
    NVIC_SystemReset();
}

获取任务栈使用情况：

UBaseType_t uxTaskGetStackHighWaterMark(TaskHandle_t xTask);

五、常见面试题与解答

1. 任务创建与管理

Q: FreeRTOS中如何创建任务？创建任务时需要注意哪些参数？

A: 使用x或函数创建任务。关键参数包括：