一、理查德巴利与FreeRTOS
1.RTOS和FreeRTOS的概念
RTOS是操作系统的一种类型。它是Real-Time Operating System的缩写，也就是实时操作系统。这种操作系统强调实时性，使用抢占式调度。打个比方，比如你在公园散步的时候来了电话，你就得停下脚步接电话。高优先级的事情一旦发生，它就会打断低优先级的事情，从而立刻获得执行权。我们所说的实时操作系统（RTOS）内部就是按照这个逻辑进行调度的。
和RTOS相对的是TSOS，它是另外一种类型的操作系统。TSOS是Time-sharing Operating System的缩写，也就是“分时操作系统”。分时操作系统一般使用时间片轮转调度，强调共享和公平。比如你可以使用电脑边听音乐、边浏览网页，同时还能通过打印机打印文档。很多个不同的任务共享CPU的执行权，从而给用户一种所有事情在同时进行的感受。
TSOS一般用在电脑、手机等这些强调用户体验的大型设备上，而RTOS则应用在对实时性要求较高的嵌入式设备当中，比如以单片机、DSP等作为主控的硬件电路。
FreeRTOS是RTOS的一种。比如，我们在手机或者电脑上使用的TSOS操作系统有很多种类，像是Windows、MacOS、Linux、Andriod等等。对于RTOS来说也是如此，市面上有很多种RTOS操作系统供开发者选择，比如FreeRTOS、ThreadX、VxWorks、QNX等。
2.FreeRTOS能做什么
在日常生活里，我们习惯上说的操作系统一般指的是运行在电脑上的操作系统，比如Windows。这种操作系统兼具很多种不同的职责，它就像一个大管家，负责管理电脑的各种硬件资源，让它们协同起来为人类服务。比如，它可以管理和分配电脑里的内存资源，这种职能叫做内存管理；它可以访问电脑的硬盘，并以文件的形式呈现给用户，这种职能叫做文件管理；它能够创建多个进程，不同的进程做不同的事、互不干扰，这种职能叫做进程管理；另外它还能利用网卡把电脑接入到网络当中，从而访问网络当中的资源，这种职能叫做网络接口。诸如此类的职能还有很多。
与电脑上运行的操作系统相比，FreeRTOS的职能就比较单一了。FreeRTOS既不能管理内存，也不能管理文件，事实上它做的事情就只有一个：“管理任务”。这和刚才所说的进程管理比较相似，都是让代码并行执行的手段。通俗地讲，FreeRTOS能够做到让单片机在同一时间处理多件事，这就是FreeRTOS的核心作用。
例1：我们使用一个游戏机的例子来理解什么是“管理任务”。现在想象一下，你要手搓一款像下边这张图里的游戏机，主控选择STM32F103单片机。可以看到，要让这么一台游戏机运转起来所需要做的事情还是蛮多的。
比如，要时刻监测用户按下按钮的动作、要计算游戏的内部逻辑、要播放背景音乐和音效还要在LCD屏幕上显示游戏的图像。要做这么多件事，但是我们的单片机只有一颗，它怎么能忙得过来呢？使用传统的裸机编程方法很难满足这个项目的要求。
如果我们引入FreeRTOS的话，这个问题就能迎刃而解了。我们只要把要做的这些事情切分成一个一个的任务，然后把每个任务的代码写出来就可以了，其它事情交给FreeRTOS来做。
比如对于这个游戏机来说，我们可以把它划分成4个独立的任务：任务1 - 按键检测、任务2 - 游戏裸机、任务3 - 音乐和音效、任务4 - LCD显示。划分好任务之后，需要把这些任务对应的代码写出来。在编写任务代码的时候我们认为每个任务的运行是完全独立的，可以独占整个单片机。因此，我们就像记流水账一样把需要的功能写出来就可以了，剩下的工作交给FreeRTOS的调度器。FreeRTOS的调度器负责在多有任务之间切换，它会选择合适的时机执行任务代码。比如，如上图它先执行任务1，执行任务1的一部分，然后切换到任务4，再切换到任务3等等。
尽管很多任务共享单片机，但是有了FreeRTOS的存在，它们就能有条不紊地工作下去。这就是FreeRTOS的强大能力。
3.FreeRTOS的历史
在过去32位单片机还没有普及的时候，由于8位或16位单片机的能力不足，所以没办法在上边跑操作系统。21世纪初，也就是两千零几年，那个时候32位单片机开始普及，单片机的处理能力也随之得到极大的提升。所以在单片机上跑操作系统这件事慢慢变成了可能。一开始的时候，大家只能使用一些传统的商业操作系统，比如VxWorks或者μC/OS。这些操作系统价格昂贵（授权费高达数万到数十万美元），且操作复杂，一般小公司或者个人根本负担不起。后来有一位叫理查德·巴利（Richard Barry）的工程师想要改变这种局面，于是他动手编写了一个开源嵌入式实时操作系统，这个操作系统就是我们要学习的FreeRTOS。FreeRTOS以其开源免费、代码易读、使用简单等优势迅速占领了市场，拿下了大量的市场份额。到2012年，FreeRTOS已经被应用在了超过1亿台设备上，这是一个巨大的成功。当时理查德·巴利经营着一家名为“实时工程师有限公司”（Real-Time Engineers Ltd)的企业，这个公司开展的是嵌入式技术咨询相关的业务。理查德·巴利持续经营着这家公司，直到2016年被WITTENSTEIN收购。又过了一年，也就是2017年，为了布局云服务业务，亚马逊又从WITTENSTEIN手中再次收购了它。因此理查德·巴利就带着他的FreeRTOS项目进入亚马逊工作了。现在理查德巴利仍然就职于亚马逊，担任AWS物联网部门的高级首席工程师。截至目前他仍然领导FreeRTOS的开发与演进。所以你可以看到，我们正在学习的FreeRTOS其实是由理查德·巴利从无到有创造出来的，他是FreeRTOS之父。
二、初次使用Freertos
1.基本的裸机编程
例1：在我们的开发板上有两颗LED，分别是LED1（连接单片机的PC3引脚）和LED3（连接单片机的PC1引脚），我们可以通过编程的方式控制这两颗LED闪烁。现在请你编写程序，让LED1每次点亮100ms、熄灭100ms，同时让LED3每次点亮50ms、熄灭150ms。
解：根据题目要求，我们首先画出两颗LED闪烁的时序图。
从时序图当中可以看出，虽然LED1和LED3闪灯的参数不同，但它们每次闪烁的周期都是200ms。根据这个特点我们可以把LED1和LED3的代码写在同一个while循环里边，其实也就是写在main()方法的while循环里。
我们只要重复这3个步骤即可：1. 先同时点亮LED1和LED3，并延迟50ms； 2. 熄灭LED3并再次延迟50ms；3. 熄灭LED1并延迟100ms。
2.复杂的裸机编程
例2：这次还是请大家用编程的方式控制LED1和LED3闪烁。LED1仍然点亮100ms、熄灭100ms，但LED3的情况有所变化，这次它亮灯30ms、灭灯150ms。
解：与例1相比，虽然我们只是让LED3的亮灯时间从50ms缩短到30ms，但这一点点改动却会产生巨大的问题。为了方便说明，我们还是把它们的时序图画出来：
从图中我们可以看出，因为修改了参数，所以LED1和LED3的闪烁变得“不同步”了。具体表现为它们的周期不再相等，LED1闪烁一次消耗200ms，LED3闪烁1次消耗180ms，它俩并不相等。这意味着，我们不能再像例1一样，把所有的代码写在同一个while循环里。事情逐渐变得棘手了。如果不借助FreeRTOS的话，我们需要使用一种极为复杂的编程方式：“状态机”。
如上图，我们需要为LED1和LED3分别创建一个状态机，每个状态机有两种状态：点亮和熄灭。当满足条件后，状态机会在两种状态之间切换。
static void LED1_Proc(){
if(led1_state == 0 && HAL_GetTick() - led1_last_toggle_time >= 100){
HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin,GPIO_PIN_RESET);
led1_state = 1;
led1_last_toggle_time = HAL_GetTick();
}
else if(led1_state == 1 && HAL_GetTick() - led1_last_toggle_time >= 100){
HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin,GPIO_PIN_SET);
led1_state = 0;
led1_last_toggle_time = HAL_GetTick();
}
}
static void LED3_Proc(){
if(led3_state == 0 && HAL_GetTick() - led3_last_toggle_time >= 30){
HAL_GPIO_WritePin(LED3_GPIO_Port,LED3_Pin,GPIO_PIN_RESET);
led3_state = 1;
led3_last_toggle_time = HAL_GetTick();
}
else if(led3_state == 1 && HAL_GetTick() - led3_last_toggle_time >= 150){
HAL_GPIO_WritePin(LED3_GPIO_Port,LED3_Pin,GPIO_PIN_SET);
led3_state = 0;
led3_last_toggle_time = HAL_GetTick();
}
}从上边的例子可以看出，我们确实可以在不使用RTOS操作系统的条件下，使用状态机实现多任务的并行。但这个过程会极其繁琐。打个比方，如下图：这是一条生产线，它可以加工A、B、C三种货物，这些货物要根据需求被送上生产线。我们可以把这3种货物想象成要并行处理的3段代码。使用状态机就像是在生产线上搭建一个复杂的上料系统，这种方式虽然可行但会消耗大量的精力来建造它。而且随着项目越来越复杂，状态机的设计也会变得极其繁琐，以至于在一些稍大的项目当中我们根本不可能设计出这种状态机。
相比状态机编程，使用FreeRTOS就方便多了。你向工程里引入FreeRTOS，就仿佛为生产线专门聘请了一个熟练的搬运工。我们再也不需要设计复杂的上料系统，这个搬运工在合适的时机帮你把合适的原料搬到生产线上。甚至，他比上料系统更灵活、更方便、更知道轻重缓急。
FreeRTOS能够帮助编程者自动实现任务调度，是对人力的解放，这就是FreeRTOS最核心的作用。
3.使用Freertos
像写单独的main()方法一样，分别编写了LED1任务和LED3任务的任务函数。
注意，函数内部使用的是vTaskDelay()进行延迟，而非HAL_Delay()，具体原因我们后边会介绍。
在main()方法中调用xTaskCreate()分别创建LED1任务和LED3任务。
其实就是把刚刚写好的vLED1Task()和vLED3Task()交给调度器。
最后调用vTaskStartScheduler()方法启动调度器。
一般情况下，启动调度器的方法永远不会退出，除非因为创建空闲任务或者定时器任务出错。因此只要程序执行正常，那么就不会执行到main()方法里的while循环处。