隨著嵌入式系統(tǒng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的需求日益增加。FreeRTOS是一款開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為資源受限的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FreeRTOS由Richard Barry創(chuàng)建并維護(hù)，提供了強(qiáng)大的任務(wù)調(diào)度功能，包括優(yōu)先級(jí)調(diào)度、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和多任務(wù)同步機(jī)制，如信號(hào)量、隊(duì)列、事件組和互斥鎖等。FreeRTOS支持多種處理器架構(gòu)，包括Arm Cortex�睲、PIC、AVR等，具有高度的移植性。

FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具備小巧高效的特點(diǎn)，典型內(nèi)核大小僅有幾千字節(jié)(KB)，非常適合用于片上系統(tǒng)(SoC)和微控制器等。FreeRTOS還提供了可選的內(nèi)存管理方案，以滿足不同應(yīng)用的需求。同時(shí)，其豐富的API和強(qiáng)大的擴(kuò)展性，使開發(fā)者能夠快速構(gòu)建穩(wěn)定高效的實(shí)時(shí)應(yīng)用。此外，F(xiàn)reeRTOS擁有活躍的社區(qū)支持、豐富的文檔和實(shí)例代碼，極大地方便了開發(fā)和調(diào)試。FreeRTOS廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和消費(fèi)電子領(lǐng)域，為開發(fā)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的支持。

本書的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1) 系統(tǒng)性和全面性： 本書從FreeRTOS的基本概念入手，逐步深入任務(wù)管理、軟件定時(shí)器、任務(wù)間同步、進(jìn)程間通信與消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、中斷管理以及內(nèi)核移植等各方面，內(nèi)容系統(tǒng)全面，覆蓋了FreeRTOS的各個(gè)重要方面。

(2) 實(shí)用性和操作性： 書中不僅介紹了理論知識(shí)，還結(jié)合了大量的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，幫助讀者在實(shí)踐中掌握FreeRTOS的使用方法。每章末尾的習(xí)題也有助于讀者鞏固所學(xué)知識(shí)。

(3) 針對(duì)性和專業(yè)性： 本書特別針對(duì)STM32嵌入式微控制器進(jìn)行了詳細(xì)介紹和實(shí)例講解，適合從事STM32開發(fā)的工程師和開發(fā)人員閱讀。

(4) 圖文并茂： 書中配有大量的圖表和示意圖，幫助讀者更直觀地理解FreeRTOS的工作原理和操作流程。

(5) 循序漸進(jìn)： 本書內(nèi)容安排循序漸進(jìn)，從基礎(chǔ)知識(shí)到高級(jí)應(yīng)用，逐步深入，適合不同層次的讀者學(xué)習(xí)和參考。

(6) 實(shí)戰(zhàn)案例： 書中結(jié)合了多個(gè)實(shí)戰(zhàn)案例，詳細(xì)講解了FreeRTOS在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，幫助讀者將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際開發(fā)中，提高系統(tǒng)開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

全書共分為9章，具體內(nèi)容如下。

第1章講述了FreeRTOS的特點(diǎn)、商業(yè)許可、發(fā)展歷史及功能等基本概念，解釋了選擇FreeRTOS的理由，并介紹了FreeRTOS源碼和官方手冊(cè)的獲取方法，以及系統(tǒng)移植、文件組成、編碼規(guī)則及配置和功能裁剪等內(nèi)容，最后講解了FreeRTOS的啟動(dòng)流程。

第2章概述了STM32微控制器，介紹了產(chǎn)品線和選型，詳細(xì)分析了STM32F407ZGT6的主要特性和功能，并解釋其芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能和最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)還討論了STM32的GPIO、外部中斷EXTI、串口USART、定時(shí)器等外設(shè)及其工作原理。

第3章詳細(xì)講述了FreeRTOS的任務(wù)管理機(jī)制，包括多任務(wù)運(yùn)行基本機(jī)制、任務(wù)狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)、空閑任務(wù)、基礎(chǔ)時(shí)鐘與嘀嗒信號(hào)等，還介紹了任務(wù)調(diào)度方法、任務(wù)管理相關(guān)函數(shù)、任務(wù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及任務(wù)管理的應(yīng)用實(shí)例。

第4章講述了軟件定時(shí)器的特性、相關(guān)配置、服務(wù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)以及應(yīng)用場(chǎng)景，討論了軟件定時(shí)器的精度、運(yùn)作機(jī)制、控制塊及相關(guān)函數(shù)，并通過應(yīng)用實(shí)例幫助讀者理解軟件定時(shí)器的使用方法。

第5章主要介紹了信號(hào)量和互斥量的原理、功能、運(yùn)作機(jī)制、控制塊及相關(guān)函數(shù)，包括二值信號(hào)量、計(jì)數(shù)信號(hào)量、互斥量信號(hào)量、遞歸互斥量等。此外，討論了優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問題及其解決方法，通過應(yīng)用實(shí)例展示了FreeRTOS在任務(wù)間同步中的具體應(yīng)用。

第6章講述了進(jìn)程間通信的基本概念，詳細(xì)講解了消息隊(duì)列的特點(diǎn)和操作，包括隊(duì)列的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)寫入和讀取方法，以及消息隊(duì)列的運(yùn)作機(jī)制、阻塞機(jī)制及應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，還介紹了消息隊(duì)列的控制塊及相關(guān)函數(shù)，并通過實(shí)例說明其應(yīng)用方法。

第7章講述了內(nèi)存管理的基本概念及應(yīng)用場(chǎng)景，介紹了不同的內(nèi)存管理方案，詳細(xì)講解了heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c等實(shí)現(xiàn)方式。同時(shí)，解釋了內(nèi)存池的工作機(jī)制和管理方式，通過實(shí)例展示了FreeRTOS內(nèi)存管理的具體應(yīng)用。

第8章詳細(xì)講述了FreeRTOS與中斷的關(guān)系、中斷的基本概念及相關(guān)名詞，討論了中斷管理的運(yùn)作機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景。重點(diǎn)講解了任務(wù)與中斷服務(wù)例程(ISR)的關(guān)系、中斷屏蔽和臨界代碼段的設(shè)計(jì)原則，并介紹了在ISR中使用FreeRTOS API函數(shù)的方法，通過實(shí)例展示了中斷管理的應(yīng)用。

第9章主要講述了FreeRTOS在STM32上的移植實(shí)例，涵蓋從STM32 GPIO輸入輸出應(yīng)用的硬件設(shè)計(jì)，到使用STM32CubeMX新建工程，通過Keil MDK和STM32CubeIDE實(shí)現(xiàn)工程，使用STM32CubeProgrammer下載固件，以及通過STM32CubeIDE進(jìn)行調(diào)試的詳細(xì)步驟，系統(tǒng)地展示了整個(gè)移植過程。

通過對(duì)這9章內(nèi)容的全面學(xué)習(xí)，讀者將系統(tǒng)掌握FreeRTOS的運(yùn)行機(jī)制及其在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中的具體應(yīng)用，從而能夠更加高效地設(shè)計(jì)和開發(fā)高性能的嵌入式系統(tǒng)。希望本書能夠成為廣大嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者和工程師了解和應(yīng)用FreeRTOS的指南。

本書結(jié)合作者多年的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，遵循循序漸進(jìn)、理論與實(shí)踐并重、共性與個(gè)性兼顧的原則，將理論與實(shí)踐一體化的教學(xué)方式融入其中。書中實(shí)例開發(fā)過程用到的是目前使用最廣泛的野火STM32開發(fā)板F407�舶蕴旎�，由此開發(fā)各種功能，書中實(shí)例均進(jìn)行了調(diào)試。讀者也可以結(jié)合實(shí)際或者手里現(xiàn)有的開發(fā)板開展實(shí)驗(yàn)，均能獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本書數(shù)字資源豐富，配有教學(xué)課件、程序代碼、教學(xué)大綱、電路文件、官方手冊(cè)等電子資源。

對(duì)本書中所引用的參考文獻(xiàn)的作者，在此一并向他們表示真誠(chéng)的感謝。由于編者水平有限，加上時(shí)間倉(cāng)促，書中錯(cuò)誤和不妥之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者不吝指正。

編者2025年2月