嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与实现

在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统正得到越来越广泛的应用。采用嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系统资源(尤其是RAM资源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少数实时操作系统能在小RAM单片机上运行。相对于C／OS-II、embOS等商业操作系统，FreeRTOS操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为2.6版。

1．FreeRTOS操作系统功能

作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，CPU总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。

FreeRTOS的内核可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。当FreeRTOS被设置为可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的CPU使用权，这样可保证系统满足实时性的要求；当FreeRTOS被设置为不可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放CPU的使用权后才能获得运行，这样可提高CPU的运行效率。

2．FreeRTOS操作系统的原理与实现

2. 1任务调度机制的实现

任务调度机制是嵌入式实时操作系统的一个重要概念，也是其核心技术。对于可剥夺型内核，优先级高的任务一旦就绪就能剥夺优先级较低任务的CPU使用权，提高了系统的实时响应能力。不同于μC／OS-II，FreeRTOS对系统任务的数量没有限制，既支持优先级调度算法也支持轮换调度算法，因此FreeRTOS采用双向链表而不是采用查任务就绪表的方法来进行任务调度。系统定义的链表和链表节点数据结构如下所示：

typedef struct xLIST{ //定义链表结构

unsigned portSHORPT usNumberOfItems;

 

//usNumberOfItems为链表的长度，为0表示链表为空

volatile xListItem * pxHead;//pxHead为链表的头指针

volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向链表当前结点的指针

volatile xListItem xListEnd; //xListEnd为链表尾结点

}xList;

struct xLIST_ITEM { //定义链表结点的结构

port Tick type xItem Value;

//xItem Value的值用于实现时间管理

//port Tick Type为时针节拍数据类型，

//可根据需要选择为16位或32位

volatile struct xLIST_ITEM * pxNext;

//指向链表的前一个结点

void * pvOwner;//指向此链表结点所在的任务控制块

void * pvContainer;//指向此链表结点所在的链表}；

FreeRTOS中每个任务对应于一个任务控制块(TCB)，其定义如下所示：

typedef struct tskTaskControlBlock {

portSTACK_TYPE * pxTopOfStack;

//指向任务堆栈结束处

portSTACK_TYPE * pxStack;

//指向任务堆栈起始处

unsigned portSHORT usStackDepth; //定义堆栈深度

signed portCHAR pcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN];//任务名称

unsigned portCHAR ucPriority; //任务优先级

xListItem xGenericListItem;

//用于把TCB插入就绪链表或等待链表

xListItem xEventListItem;

//用于把TCB插入事件链表（如消息队列）

unsigned portCHAR ucTCBNumber; //用于记录功能

}tskTCB;

FreeRTOS定义就绪任务链表数组为xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES为系统定义的最大优先级。若想使优先级为n的任务进入就绪态，需要把此任务对应的TCB中的结点xGenericListltem插入到链表pxReadyTasksLiStS[n]中，还要把xGenericListItem中的pvContainer指向pxReadyTasksLists[n]方可实现。

当进行任务调度时，调度算法首先实现优先级调度。系统按照优先级从高到低的顺序从就绪任务链表数组中寻找usNumberOfItems第一个不为0的优先级，此优先级即为当前最高就绪优先级，据此实现优先级调度。若此优先级下只有一个就绪任务，则此就绪任务进入运行态；若此优先级下有多个就绪任务，则需采用轮换调度算法实现多任务轮流执行。