1. 为什么需要RTOS

一般情况下，单片机程序都是一个超级大循环，如下所示：

int main(void)
{
    Board_Init();   //板级初始化
    while (1) {
        Key_Scan(); // 按键扫描
        Sensor_Read();  // 传感器读取
        Uart_Process(); //串口处理
        Led_Update();   // led灯状态更新
    }
}

优点很明确：简单，功能路径明确，但是缺点也很明显，当某个功能占用时间较长时，可能导致其他功能不能及时响应，比如Uart_Process中串口数据处理耗时2较长，而系统出现异常需要更新Led灯Led_Update时就可能导致未能及时给出告警提示导致系统出现问题。

假如使用中断 + 标志位（前后台架构-大循环为后台、中断为前台）可以提升时间响应速度，但是会引入多个状态机、共享标志等。

所以此时RTOS（Real Time OS）出世了，它将功能拆分成若干任务（Task），由其内核管理任务状态和CPU使用权。进行任务调度的我们一般称为调度器。其实归根结底，在单片机上某一时刻还是只运行一个任务，但通过任务切换的方式就形成了并发，给人一种多任务同时执行的感觉。

2. RTOS能帮你做什么

RTOS引入了多任务的概念后，需要提供任务相关管理等功能，才能帮我们实现多任务并发执行。所以其最主要提供的功能如下：

任务管理：创建、删除、挂起、恢复
调度：根据任务优先级和状态选择任务
时间：系统节拍、延时、超时、软件定时器等
通信：消息队列、信号量、互斥量、事件标志等
内存与诊断：固定内存分区、栈使用量、任务状态统计等

总结下来RTOS的特点如下：

分而治之：实现功能划分为多个任务
延时函数：不会空等待，会让出CPU的使用权给其他任务，即任务调度
抢占式：高优先级任务抢占低优先级任务
任务堆栈：每个任务都有自己的栈空间，用于保存局部变量以及任务的上下文信息

其实对于学过Linux开发的而言，RTOS任务可以理解为轻量线程，只不过RTOS任务一般没有Linux用户态/内核态进程模型和完整虚拟内存隔离；RTOS API 的阻塞、优先级和中断上下文规则必须重新学习。pthread_mutex 和 OSMutex 思路相近，却不代表使用约束完全一样。

3. UCOSiii

3.1 简介

UCOSiii时一个可裁剪、可剥夺的多任务系统，没有任务数目限制（只要RAM够大），是UCOS的第三代内核操作系统。

3.2 任务调度

任务调度就是使用一定的调度算法来决定当前需要执行的任务。

UCOSiii一共支持两种任务调度方式：

抢占式调度：主要根据任务优先级进行调度，在创建任务时可以给每个任务分配优先级，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务（优先级数字越小优先级越高）
时间片调度：主要针对具有相同优先级的任务，当有多个任务具有相同优先级时，调度器根据用户设置的时间片来轮流运行这些任务。（注：时间片大小取决于滴答定时器中断频率，一般貌似为1ms，每个任务都可以自定义自身的时间片大小，如果任务运行中被打断或阻塞，则没用完的时间片不会再被使用）

3.3 任务状态

UCOSiii中任务有以下5种状态：

运行态：正在执行的任务
就绪态：完成创建可以执行，但还未执行的任务
挂起态：如果一个任务因为延时或者等待外部事件被挂起，则这个任务就处于挂起状态
休眠态：任务已经在CPU的内存中（被删除了），但是还没有交给UCOSiii内核管理
中断态：当处于运行态的任务被中断打断，CPU会去执行中断服务函数，则运行态的任务会被切换到中断态，直到中断处理完成，再切回继续运行

总结一下：

被创建的任务，初始状态均为就绪态
被删除的任务变成休眠态
仅就绪态和中断态可以转变为运行态
其他状态任务想运行，则必须先转变为就绪态

3.4 UCOSiii任务管理列表

UCOSiii使用三大类列表来跟踪任务状态：

就绪列表：准备运行的任务放在就绪列表：OSRdyList[x]，其中x代表任务优先级数值，一般为32，优先级为0~31
Tick列表：正在等待延时超时或挂起对象超时的任务，放在OSTickList
挂起列表：当任务等待信号量、事件时，任务将放置在PendList

注：空闲任务优先级最低，一直处于就绪态，不可阻塞

4. UCOSiii系统API函数

4.1 任务创建与删除

4.1.1 创建任务 OSTaskCreate()

当任务创建好后，就会立马处于就绪状态

4.1.2 删除任务OSTaskDel()

删除任务并不会删除任务的代码和释放任务栈，仅代表该任务和任务栈不再由内核管理。

（当代入得参数为NULL，则代表删除任务自身）

4.1.3 任务创建流程

定义函数入口参数（任务堆栈、任务优先级、任务控制块等）
调用创建任务API函数
实现任务函数功能

注意：

在调用UCOSiii的函数之前必须先初始化UCOSiii，调用函数OSInit()实现
任务创建完之后是不会直接启动的，需要开启任务调度器后才能启动任务，调用一次OSStart()即可
不可删除空闲任务
临界区保护，保护那些不想被打断的程序段。关闭UCOSiii所管理的中断，中断无法打断，滴答中断和PendSV中断无法进行，所以不能实现任务调度

4.2 任务的挂起和恢复

4.2.1 挂起任务函数OSTaskSuspend()

将任务从就绪列表中暂时移除，不再参与运行

4.2.2 恢复被挂起函数OSTaskResume()

把任务从新插入到就绪列表

注意：

函数 OSTaskSuspend()与函数 OSTaskResume()必须成对出现
任务挂起和恢复函数都不支持中断中调用
不能挂起空闲任务
挂起任务类似暂停，可恢复；删除任务，无法恢复，只能重新创建

4.3 中断管理

中断本质就是让CPU打断正常程序的运行，转而紧急处理的事件（任务/程序）

中断执行流程：

中断请求：外设产生中断请求（GPIO、定时器等）
响应中断：CPU停止执行当前程序，转而去执行中断处理程序（ISR）
退出中断：执行完毕，返回被打断的程序处，继续往下执行

4.4 中断优先级分组设置

ARM Cortex-M使用了8位寄存器来配置中断的优先级，中断优先级配置范围在0~255。

STM32只用了中断优先级配置寄存器的高4位[7:4]，提供了最大16级的中断优先级

抢占优先级：抢占优先级高的中断可以打断正在执行但优先级低的中断
子优先级：当同时发生具有相同抢占优先级的两个中断时，子优先级数值小的先执行

5种优先级分组分配方式：

NVIC_PriorityGroup_0：0bit 用于抢占优先级，4bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_1：1bit 用于抢占优先级，3bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_2：2bit 用于抢占优先级，2bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_3：3bit 用于抢占优先级，1bit 用于子优先级
NVIC_PriorityGroup_4：4bit 用于抢占优先级，0bit 用于子优先级

（建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便UCOSIII管理）

中断相关寄存器：

三个系统中断优先级配置寄存器：SHPR1、SHPR2、SHPR3

通过SHPR3将PendSV设置最低优先级，保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断响应，SysTick设置为UCOSiii所管理的最高优先级，保证延时的精确性

三个中断屏蔽寄存器：PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI

在UCOSiii中，中断屏蔽寄存器主要用到了BASEPRI和PRIMASK。

MASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，比如BASEPRI设置为0x40,代表重点优先级在4~15内的均被屏蔽，0~3的中断优先级正常执行

PRIMASK：1个位的寄存器，当它置为1是，表示关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI和硬fault可以响应。当它置为0是，表示没有关闭中断。当需要关闭大部分中断时则使用PRIMASK这个寄存器。