嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS的原理與實現(xiàn)

在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實時操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運行。相對于C／OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運行，其最新版本為2.6版。

1．FreeRTOS操作系統(tǒng)功能

作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級調(diào)度算法，每個任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。FreeRT0S內(nèi)核同時支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務(wù)共享CPU的使用時間。

FreeRTOS的內(nèi)核可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)，這樣可保證系統(tǒng)滿足實時性的要求；當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為不可剝奪型內(nèi)核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)只有等當(dāng)前運行任務(wù)主動釋放CPU的使用權(quán)后才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行效率。

2．FreeRTOS操作系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)

2. 1任務(wù)調(diào)度機(jī)制的實現(xiàn)

任務(wù)調(diào)度機(jī)制是嵌入式實時操作系統(tǒng)的一個重要概念，也是其核心技術(shù)。對于可剝奪型內(nèi)核，優(yōu)先級高的任務(wù)一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級較低任務(wù)的CPU使用權(quán)，提高了系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力。不同于μC／OS-II，F(xiàn)reeRTOS對系統(tǒng)任務(wù)的數(shù)量沒有限制，既支持優(yōu)先級調(diào)度算法也支持輪換調(diào)度算法，因此FreeRTOS采用雙向鏈表而不是采用查任務(wù)就緒表的方法來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)定義的鏈表和鏈表節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef struct xLIST{ //定義鏈表結(jié)構(gòu)

unsigned portSHORPT usNumberOfItems;

//usNumberOfItems為鏈表的長度，為0表示鏈表為空

volatile xListItem * pxHead;//pxHead為鏈表的頭指針

volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向鏈表當(dāng)前結(jié)點的指針

volatile xListItem xListEnd; //xListEnd為鏈表尾結(jié)點

}xList;

struct xLIST_ITEM { //定義鏈表結(jié)點的結(jié)構(gòu)

port Tick type xItem Value;

//xItem Value的值用于實現(xiàn)時間管理

//port Tick Type為時針節(jié)拍數(shù)據(jù)類型，

//可根據(jù)需要選擇為16位或32位

volatile struct xLIST_ITEM * pxNext;

//指向鏈表的前一個結(jié)點

void * pvOwner;//指向此鏈表結(jié)點所在的任務(wù)控制塊

void * pvContainer;//指向此鏈表結(jié)點所在的鏈表}；

FreeRTOS中每個任務(wù)對應(yīng)于一個任務(wù)控制塊(TCB)，其定義如下所示：

typedef struct tskTaskControlBlock {

portSTACK_TYPE * pxTopOfStack;

//指向任務(wù)堆棧結(jié)束處

portSTACK_TYPE * pxStack;

//指向任務(wù)堆棧起始處

unsigned portSHORT usStackDepth; //定義堆棧深度

signed portCHAR pcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN];//任務(wù)名稱

unsigned portCHAR ucPriority; //任務(wù)優(yōu)先級

xListItem xGenericListItem;

//用于把TCB插入就緒鏈表或等待鏈表

xListItem xEventListItem;

//用于把TCB插入事件鏈表（如消息隊列）

unsigned portCHAR ucTCBNumber; //用于記錄功能

}tskTCB;

FreeRTOS定義就緒任務(wù)鏈表數(shù)組為xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES為系統(tǒng)定義的最大優(yōu)先級。若想使優(yōu)先級為n的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，需要把此任務(wù)對應(yīng)的TCB中的結(jié)點xGenericListltem插入到鏈表pxReadyTasksLiStS[n]中，還要把xGenericListItem中的pvContainer指向pxReadyTasksLists[n]方可實現(xiàn)。

當(dāng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，調(diào)度算法首先實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級從高到低的順序從就緒任務(wù)鏈表數(shù)組中尋找usNumberOfItems第一個不為0的優(yōu)先級，此優(yōu)先級即為當(dāng)前最高就緒優(yōu)先級，據(jù)此實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。若此優(yōu)先級下只有一個就緒任務(wù)，則此就緒任務(wù)進(jìn)入運行態(tài)；若此優(yōu)先級下有多個就緒任務(wù)，則需采用輪換調(diào)度算法實現(xiàn)多任務(wù)輪流執(zhí)行。