基于FreeRTOS的STM32F103系统—内存管理及任务调度

虽然现在的单片机系统，CPU的资源并不是那么紧缺了，也有丰富的内存空间，但是我们还是要积极地实现内存管理，这可以帮我们减少内存资源的占用，优化程序，提高效率。

而任务调度算法，则是帮助我们合理安排实时系统中各个任务的逻辑顺序，保证各个任务按照某种规则协调有效地进行。

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内存管理

• 堆(heap)：就是一块空闲的内存，需要提供管理函数
• 栈(stack)：函数调用时局部变量保存在栈中，当前程序的环境也是保存在栈中

FreeRTOS 中内存管理的接口函数为：pvPortMalloc 、 vPortFree ，对应于 C 库的 malloc 、 free。

源码中提供了5种内存管理的方法。

1.heap_1

它只实现了pvPortMalloc，没有实现vPortFree。

它的实现过程就是，先定义一个大数组（堆）-A，当用户创建任务时B图中的蓝色区域被占用，创建更多任务时，如图所示。

2.heap_2

Heap_2 使用 最佳匹配算法 (best fifit) 来分配内存，它支持vPortFree释放内存

Heap_2 不会合并相邻的空闲内存，所以 Heap_2 会导致严重的 " 碎片化 " 问题。

但是，如果申请、分配内存时大小总是相同的，这类场景下 Heap_2 没有碎片化的问题。所以它适用于：频繁地创建、删除任务，但是任务的栈大小都是相同的( 创建任务时，需要分配 TCB 和栈， TCB 总是一样的) 。

3.heap_3

Heap_3 使用标准 C 库里的 malloc 、 free 函数，所以堆大小由链接器的配置决定，配置项confifigTOTAL_HEAP_SIZE 不再起作用。

4.heap_4

Heap_4 使用首次适应算法 (fifirst fifit) 来分配内存。它还会把相邻的空闲内存合并为一个更大的空闲内存， 这有助于较少内存的碎片问题。

Heap_4 会把相邻空闲内存合并为一个大的空闲内存，可以较少内存的碎片化问题。适用于这种场景：频繁地分配、释放不同大小的内存。

5.heap_5

Heap_5 分配内存、释放内存的算法跟 Heap_4 是一样的。相比于 Heap_4 ， Heap_5 并不局限于管理一个大数组：它可以管理多块、分隔开的内存。

在嵌入式系统中，内存的地址可能并不连续，这种场景下可以使用 Heap_5 ，但需要进行初始化：确定这些内存块在哪、多大。

内存分配失败时的钩子函数:

在 FreeRTOSConfifig.h 中，把宏 confifigUSE_MALLOC_FAILED_HOOK 定义为1，可以开启使用一个钩子函数vApplicationMallocFailedHook，当pvPortMalloc失败后，可以在这个钩子函数中做一些事情。

void * pvPortMalloc( size_t xWantedSize )vPortDefineHeapRegions 
{ 
...... 
#if ( configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK == 1 ) 
{ 
    if( pvReturn == NULL ) 
    { 
        extern void vApplicationMallocFailedHook( void ); 
        vApplicationMallocFailedHook(); 
    } 
}
#endif 
return pvReturn; 
}

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任务调度

所谓调度算法就是怎么确定哪个就绪态的任务可以切换为运行状态。

通过配置文件 FreeRTOSConfifig.h 的两个配置宏来配置调度算法：confifigUSE_PREEMPTION、confifigUSE_TIME_SLICING 。

• confifigUSE_PREEMPTION：为1时，采用可抢占调度，高优先级的任务抢先执行；为0时，当一个任务正在执行时，就算一个更高优先级的任务处于Ready状态了也不能打断该任务的执行，除非这个任务自己停止。
• confifigUSE_TIME_SLICING：为1时，开启时间片调度，同优先级的任务轮流执行；为0时，
  当前任务会一直执行，直到主动放弃、或者被高优先级任务抢占。

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总结

关于内存管理及任务调度写这些，后面会进行常用的任务--通讯方式堆栈、队列等的介绍。