基于FreeRTOS的嵌入式实时操作系统的原理和实现

FreeRTOS是一个源码公开的免费的嵌入式实时操作系统，通过研究其内核可以更好地理解嵌入式操作系统的实现原理.本文主要阐述FreeRTOS系统中的任务调度机制、时间管理机制、任务管理机制以及内存分配策略的实现原理，并指出FreeRTOS在应用中的优缺点。

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

若在优先级n下执行轮换调度算法，系统先通过执行(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex=( pxReadyTasks-Lists[n ]) → pxlndex→pxNext语句得到当前结点所指向的下一个结点，再通过此结点的pvOwner指***得到对应的任务控制块，最后使此任务控制块对应的任务进入运行态。由此可见，在FreeRTOS中，相同优先级任务之间的切换时间为一个时钟节拍周期。

以图1为例，设系统的最大任务数为pottMAX_PRIORITIES，在某一时刻进行任务调度时，得到pxReadyTasksLists[i]．usNumberOfItems=O(i=2...portMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists[1]。usNumberOfItems=3。由此内核可知当前最高就绪优先级为l，且此优先级下已有三个任务已进入就绪态．由于最高就绪优先级下有多个就绪任务，系统需执行轮换调度算法实现任务切换；通过指***pxlndex可知任务l为当前任务，而任务l的pxNext结点指向任务2，因此系统把pxIndex指向任务2并执行任务2来实现任务调度。当下一个时钟节拍到来时，若最高就绪优先级仍为1，由图可见，系统会把pxIndex指向任务3并执行任务3。

 

 

图1 任务调度示意

为了加快任务调度的速度，FrecRTOS通过变量ucTopReadyPriotity跟踪当前就绪的最高优先级。当把一个任务加入就绪链表时，如果此任务的优先级高于ucTopReadyPriority，则把这个任务的优先级赋予ucTopReadyPriority。这样当进行优先级调度时，调度算法不是从portMAX_PRIORITIES而是从ucTopReady-Priority开始搜索。这就加快了搜索的速度，同时缩短了内核关断时间。

为了加快任务调度的速度，FrecRTOS通过变量ucTopReadyPriotity跟踪当前就绪的最高优先级。当把一个任务加入就绪链表时，如果此任务的优先级高于ucTopReadyPriority，则把这个任务的优先级赋予ucTopReadyPriority。这样当进行优先级调度时，调度算法不是从portMAX_PRIORITIES而是从ucTopReady-Priority开始搜索。这就加快了搜索的速度，同时缩短了内核关断时间。

2.2 时间管理的实现

FreeRTOS提供的典型时间管理函数是vTaskDelay()，调用此函数可以实现将任务延时一段特定时间的功能。在FreeRT0S中，若一个任务要延时xTicksToDelay个时钟节拍，系统内核会把当前系统已运行的时钟节拍总数(定义为xTickCount，32位长度)加上xTicksToDelay得到任务下次唤醒时的时钟节拍数xTimeToWake。然后，内核把此任务的任务控制块从就绪链表中删除，把xTimeToWake作为结点值赋予任务的xItemValue，再根据xTimeToWake的值把任务控制块按照顺序插入不同的链表。若xTimeToWake > xTickCount，即计算中没有出现溢出，内核把任务控制块插入到pxDelayedTaskList链表；若xTimeToWak e< xTickCount，即在计算过程中出现溢出，内核把任务控制块插入到pxOverflowDelayed-Taskust链表。

每发生一个时钟节拍，内核就会把当前的xTick-Count加1。若xTickCount的结果为0，即发生溢出，内核会把pxOverflowDelayedTaskList作为当前链表；否则，内核把pxDelaycdTaskList作为当前链表。内核依次比较xTickCotlrtt和链表各个结点的xTimcToWake。若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，说明延时时间已到，应该把任务从等待链表中删除，加入就绪链表。

由此可见，不同于μC／OS—II，FreeRTOS采用“加”的方式实现时间管理。其优点是时间节拍函数的执行时间与任务数量基本无关，而μC／OS—II的OSTimcTick()的执行时间正比于应用程序中建立的任务数。因此当任务较多时，FreeRTOS采用的时间管理方式能有效加快时钟节拍中断程序的执行速度。