前言
随着嵌入式系统在各领域的广泛应用，实时操作系统(RTOS)的需求日益增加。FreeRTOS是一款开源的实时操作系统，专为资源受限的嵌入式系统设计。FreeRTOS由Richard Barry创建并维护，提供了强大的任务调度功能，包括优先级调度、时间片轮转和多任务同步机制，如信号量、队列、事件组和互斥锁等。FreeRTOS支持多种处理器架构，包括Arm CortexM、PIC、AVR等，具有高度的移植性。

FreeRTOS实时操作系统具备小巧高效的特点，典型内核大小仅有几千字节(KB)，非常适合用于片上系统(SoC)和微控制器等。FreeRTOS还提供了可选的内存管理方案，以满足不同应用的需求。同时，其丰富的API和强大的扩展性，使开发者能够快速构建稳定高效的实时应用。此外，FreeRTOS拥有活跃的社区支持、丰富的文档和实例代码，极大地方便了开发和调试。FreeRTOS广泛应用于物联网设备、工业自动化、机器人和消费电子领域，为开发复杂嵌入式系统提供了强有力的支持。

本书的特点主要体现在以下几方面。

(1) 系统性和全面性： 本书从FreeRTOS的基本概念入手，逐步深入任务管理、软件定时器、任务间同步、进程间通信与消息队列、内存管理、中断管理以及内核移植等各方面，内容系统全面，覆盖了FreeRTOS的各个重要方面。

(2) 实用性和操作性： 书中不仅介绍了理论知识，还结合了大量的实际应用实例，帮助读者在实践中掌握FreeRTOS的使用方法。每章末尾的习题也有助于读者巩固所学知识。

(3) 针对性和专业性： 本书特别针对STM32嵌入式微控制器进行了详细介绍和实例讲解，适合从事STM32开发的工程师和开发人员阅读。

(4) 图文并茂： 书中配有大量的图表和示意图，帮助读者更直观地理解FreeRTOS的工作原理和操作流程。

(5) 循序渐进： 本书内容安排循序渐进，从基础知识到高级应用，逐步深入，适合不同层次的读者学习和参考。

(6) 实战案例： 书中结合了多个实战案例，详细讲解了FreeRTOS在实际项目中的应用，帮助读者将理论知识应用到实际开发中，提高系统开发效率和产品质量。

全书共分为9章，具体内容如下。

第1章讲述了FreeRTOS的特点、商业许可、发展历史及功能等基本概念，解释了选择FreeRTOS的理由，并介绍了FreeRTOS源码和官方手册的获取方法，以及系统移植、文件组成、编码规则及配置和功能裁剪等内容，最后讲解了FreeRTOS的启动流程。

第2章概述了STM32微控制器，介绍了产品线和选型，详细分析了STM32F407ZGT6的主要特性和功能，并解释其芯片内部结构、引脚功能和最小系统设计，同时还讨论了STM32的GPIO、外部中断EXTI、串口USART、定时器等外设及其工作原理。

第3章详细讲述了FreeRTOS的任务管理机制，包括多任务运行基本机制、任务状态、优先级、空闲任务、基础时钟与嘀嗒信号等，还介绍了任务调度方法、任务管理相关函数、任务设计要点以及任务管理的应用实例。

第4章讲述了软件定时器的特性、相关配置、服务任务的优先级以及应用场景，讨论了软件定时器的精度、运作机制、控制块及相关函数，并通过应用实例帮助读者理解软件定时器的使用方法。

第5章主要介绍了信号量和互斥量的原理、功能、运作机制、控制块及相关函数，包括二值信号量、计数信号量、互斥量信号量、递归互斥量等。此外，讨论了优先级翻转问题及其解决方法，通过应用实例展示了FreeRTOS在任务间同步中的具体应用。

第6章讲述了进程间通信的基本概念，详细讲解了消息队列的特点和操作，包括队列的创建、数据写入和读取方法，以及消息队列的运作机制、阻塞机制及应用场景。同时，还介绍了消息队列的控制块及相关函数，并通过实例说明其应用方法。

第7章讲述了内存管理的基本概念及应用场景，介绍了不同的内存管理方案，详细讲解了heap_1.c、heap_2.c、heap_3.c、heap_4.c、heap_5.c等实现方式。同时，解释了内存池的工作机制和管理方式，通过实例展示了FreeRTOS内存管理的具体应用。

第8章详细讲述了FreeRTOS与中断的关系、中断的基本概念及相关名词，讨论了中断管理的运作机制和应用场景。重点讲解了任务与中断服务例程(ISR)的关系、中断屏蔽和临界代码段的设计原则，并介绍了在ISR中使用FreeRTOS API函数的方法，通过实例展示了中断管理的应用。

第9章主要讲述了FreeRTOS在STM32上的移植实例，涵盖从STM32 GPIO输入输出应用的硬件设计，到使用STM32CubeMX新建工程，通过Keil MDK和STM32CubeIDE实现工程，使用STM32CubeProgrammer下载固件，以及通过STM32CubeIDE进行调试的详细步骤，系统地展示了整个移植过程。

通过对这9章内容的全面学习，读者将系统掌握FreeRTOS的运行机制及其在嵌入式系统开发中的具体应用，从而能够更加高效地设计和开发高性能的嵌入式系统。希望本书能够成为广大嵌入式系统开发者和工程师了解和应用FreeRTOS的指南。

本书结合作者多年的科研和教学经验，遵循循序渐进、理论与实践并重、共性与个性兼顾的原则，将理论与实践一体化的教学方式融入其中。书中实例开发过程用到的是目前使用最广泛的“野火STM32开发板F407霸天虎”，由此开发各种功能，书中实例均进行了调试。读者也可以结合实际或者手里现有的开发板开展实验，均能获得实验结果。

本书数字资源丰富，配有教学课件、程序代码、教学大纲、电路文件、官方手册等电子资源。

对本书中所引用的参考文献的作者，在此一并向他们表示真诚的感谢。由于编者水平有限，加上时间仓促，书中错误和不妥之处在所难免，敬请广大读者不吝指正。


编者2025年2月