FreeRTOS-系统配置与裁剪

在使用FreeRTOS的时候，我们可以根据自己的需要来配置和裁剪FreeRTOS。我们在FreeRTOSConfig.h文件中完成对FreeRTOS系统的裁剪，通过裁剪来减少系统占用RAM和ROM的大小。所谓裁剪其实就是对FreeRTOS中的函数和一些变量、结构体等选择性的定义。

FreeRTOS裁剪原理

FreeRTOS裁剪主要就是用到了条件编译的方法，其实不仅仅是FreeRTOS是这样，很多RTOS系统都是采用这样的方法。所谓条件编译就是当该部分满足条件的时候，该部分编译。如下图是FreeRTOS中的静态任务创建函数的条件编译。
在上图中，我们为了能够清晰地看出这个条件编译，将函数的具体内容给折叠了，只留下函数声明部分。我们可以看到，当INCLUDE_vTaskDelay==1的时候该部分才会被编译。我们通过定义追踪找到了INCLUDE_vTaskDelay在FreeRTOSConfig.h文件中通过宏定义如下。
此时INCLUDE_vTaskDelay被定义为1，说明这部分对应的函数将会被编译。同样，我们通过追踪INCLUDE_vTaskDelay被引用的地方，追踪到INCLUDE_vTaskDelay在FreeRTOS.h文件中被引用如下。
因为FreeRTOS文件是包含FreeRTOSConfig.h文件的，所以如果说INCLUDE_vTaskDelay在FreeRTOSConfig.h中没有被定义，那么系统将会默认INCLUDE_vTaskDelay=0，即对应函数部分不编译。
到这里，我们以vTaskDelay函数为例就将FreeRTOS条件编译大致过程叙述完了，其他函数的编译与该函数相似，不再赘述。下面是官方给出的STM32F10移植例程中的FreeRTOSConfig,h文件的配置。
从中可以看出，该文件定义的宏分为两部分，一部分是以config为开头的宏，另一部分是以INCLUDE_为开头的宏，通过上述步骤追踪其引用可以发现以下规律：
- 以config为开头的宏多是与任务相关参数、系统工作方式等相关的，也有少部分与函数使能和除能相关。
- 以INCLUDE_为开头的宏几乎都是与函数的使能和失能相关的。

下面就来简单介绍一下两部分常用宏的功能

config为开头的宏

1、configUSE_PREEMPTION

configUSE_PREEMPTION=1时FreeRTOS系统为抢占式内核，configUSE_PREEMPTION=0时，使用协程内核。协程内核可以节省开销，但是功能有限。协程内核主要是针对以前性能较低的MCU使用的，但现在的MCU功能都比较强，所以不需要使用协程内核。

2、configUSE_TIME_SLICING

+如果使用抢占式内核， configUSE_TIME_SLICING=1时，因为调度器永远都在执行准备就绪的最高优先级任务，优先级任务相同的在时钟节拍中断进行切换，否则不会切换。

3、configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION

FreeRTOS有硬件和软件两种方法选择下一个执行的任务。软件方法是通用方法，在任何MCU上均能使用，且不限制最大优先级数目，但是这种方法会占用CPU开销，所以效率比较低。硬件方法需要所使用的的MCU支持前导计算指令，且最大优先级数目会有所限制，但效率高。
当configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION=1时，使用硬件方法，否则使用软件方法。

4、configUSE_TICKLESS_IDLE

configUSE_TICKLESS_IDLE=1使用tickless低功耗模式，此时在执行空闲任务的时候系统时钟节拍中断就会停止，当然停止的这段时间也必须要补上。

5、configUSE_QUEUE_SETS

用于设置是否启动队列，为1启动。

6、configCPU_CLOCK_HZ

设置CPU频率，一般来说配置为和MCU相同的主频。

7、configTICK_RATE_HZ

设置系统时钟节拍频率，该频率就是滴答定时器的中断频率，该中断频率最小单位为1us。

8、configMAX_PRIORITIES

可使用的最大优先级数量，设置完成以后就可以设置任务优先级，但必须在0~(configMAX_PRIORITIES-1)区间内，其中0为最低优先级，configMAX_PRIORITIES-1为最高优先级。一般来说，最低优先级只分配给空闲任务，最高优先级只分配给软件定时器，所以实际可供用户使用的优先级数量为configMAX_PRIORITIES-2。

9、configMINIMAL_STACK_SIZE

空闲任务使用的堆栈大小，要注意这个大小的单位不一定是1byte，比如说stm32是32位单片机，那么大小的单位就是4byte，当configMINIMAL_STACK_SIZE=100时，就相当于空闲任务堆栈大小为400byte。

10、configMAX_TASK_NAME_LEN

任务名字符串长度，用户根据自己需要设定。

11、configUSE_16_BIT_TICKS

系统节拍计数器变量数据类型，根据自己使用的是多少位的单片机来做修改，stm32是32位MCU，所以选择32位。下图是其定义。
从中可以看到，当configUSE_16_BIT_TICKS=1时，定义系统节拍计数器变量类型为16位，否则为32位。

11、configIDLE_SHOULD_YIELD

选择空闲任务是否放弃CPU使用权给其他同优先级的用户任务，configIDLE_SHOULD_YIELD=1，让出CPU使用权给其他同级任务；否则不会让出。一般来说我们会关闭这个功能，即置零。因为如果使能的话，可能会导致有些用户任务运行的时间变少。所以一般将最低优先级只留给空闲任务。

12、configUSE_TASK_NOTIFICATIONS

configUSE_TASK_NOTIFICATIONS=1，开启任务通知功能，此时相关函数将会被编译，每个任务将会多消耗8byte。

13、configUSE_MUTEXES

configUSE_MUTEXES=1时，使用互斥信号量。相关函数将会被编译。

14、configQUEUE_REGISTRY_SIZE

configQUEUE_REGISTRY_SIZE = 1，启用队列记录，用以记录队列和信号量的最大数量，在使用内核调试器的时候可以查看该记录。

15、configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW

设置是否启用堆栈溢出检测。在FreeRTOS中系统运行有一个总堆栈，而用户创建的每个任务堆栈都是从系统总堆栈中分配的。堆栈溢出是导致程序不稳定的主要因素，FreeRTOS提供两种机制来检测和调试堆栈溢出，前提是需要设置该宏，同时用户还需要提供一个回调函数，堆栈溢出的时候就调用回调函数。
检测机制1：设置configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW=1，此时将会不断检测任务堆栈指针是否指向有效空间，如果指向了无效空间，那么就调用回调函数，这种方法检测速度快，但是不能检测出所有堆栈溢出。
检测机制2：设置configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW=2，此时将会不断检测堆栈后面几个字节（标记值）是否被改写，被改写则调用回调函数，这种方法检测速度慢，但几乎能检测所有堆栈溢出。但是当溢出值和标记值相同时，不能检测到。

16、configUSE_RECURSIVE_MUTEXES

configUSE_RECURSIVE_MUTEXES=1，使用互斥递归信号量，相关函数将会被编译。

17、configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK

configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK=1，内存分配失败调用回调函数，用户需要实现回调函数。

18、configUSE_COUNTING_SEMAPHORES

configUSE_COUNTING_SEMAPHORES=1，启用计数型信号量，相关函数会被编译。

19、configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION

configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION=1，支持动态申请内存，这时，用户创建任务时，系统就会自动为该任务从系统总堆栈中获取内存。此时函数xTaskCreate（…）就会被编译。

20、configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION

configSUPPORT_DYNAMIC_ALLOCATION=1，支持静态申请内存，即用户需要自己为FreeRTOS系统分配内存，并且在用户创建任务的时候也需要自行为任务分配内存。使用静态分配内存的时候需要将vApplicationGetIdleTaskMemory(…)和vApplicationGetTimerTaskMemory(…)两函数实现。

21、configTOTAL_HEAP_SIZE

当设置为动态内存管理时，FreeRTOS在创建任务、队列、信号量时就会自动使用heap_x.c中的内存申请函数来申请内存。这些内存就是从系统总堆栈ucHeap[configTOTAL_HEAP_SIZE]中分配的。configTOTAL_HEAP_SIZE用来设置总堆栈大小。下图是系统总堆栈申请部分代码。
从代码中可以看到，当configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP=1时，表示用户已经自己定义了总堆大小，不需要再次定义。否则，FreeRTOS自动定义总堆栈大小。根据FreeRTOS中的宏定义。
即如果是系统自动定义总堆大小的话，不需要用户在FreeRTOSConfig.h文件中定义configAPPLICATION_ALLOCATED_HEAP。