嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS的原理與實現(xiàn)

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。
    若在優(yōu)先級n下執(zhí)行輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)先通過執(zhí)行
(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex=(pxReadyTasks-Lists[n])→pxlndex→pxNext語句得到當(dāng)前結(jié)點所指向的下一個結(jié)點，再通過此結(jié)點的pvOwner指針得到對應(yīng)的任務(wù)控制塊，最后使此任務(wù)控制塊對應(yīng)的任務(wù)進(jìn)入運行態(tài)。由此可見，在FreeRTOS中，相同優(yōu)先級任務(wù)之間的切換時間為一個時鐘節(jié)拍周期。
    以圖l為例，設(shè)系統(tǒng)的最大任務(wù)數(shù)為pottMAX_PRIORITIES，在某一時刻進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，得到pxReadyTasksLists[i]．usNumberOfItems=O(i=2...portMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists[1]。usNumberOfItems=3。由此內(nèi)核可知當(dāng)前最高就緒優(yōu)先級為l，且此優(yōu)先級下已有三個任務(wù)已進(jìn)入就緒態(tài)．由于最高就緒優(yōu)先級下有多個就緒任務(wù)，系統(tǒng)需執(zhí)行輪換調(diào)度
算法實現(xiàn)任務(wù)切換；通過指針pxlndex可知任務(wù)l為當(dāng)前任務(wù)，而任務(wù)l的pxNext結(jié)點指向任務(wù)2，因此系統(tǒng)把pxIndex指向任務(wù)2并執(zhí)行任務(wù)2來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。當(dāng)下一個時鐘節(jié)拍到來時，若最高就緒優(yōu)先級仍為1，由圖l可見，系統(tǒng)會把pxIndex指向任務(wù)3并執(zhí)行任務(wù)3。  
    為了加快任務(wù)調(diào)度的速度，F(xiàn)recRTOS通過變量ucTopReadyPriotity跟蹤當(dāng)前就緒的最高優(yōu)先級。當(dāng)把一個任務(wù)加入就緒鏈表時，如果此任務(wù)的優(yōu)先級高于ucTopReadyPriority，則把這個任務(wù)的優(yōu)先級賦予ucTopReadyPriority。這樣當(dāng)進(jìn)行優(yōu)先級調(diào)度時，調(diào)度算法不是從portMAX_PRIORITIES而是從ucTopReady-Priority開始搜索。這就加快了搜索的速度，同時縮短了內(nèi)核關(guān)斷時間。

2.2 任務(wù)管理的實現(xiàn)
    實現(xiàn)多個任務(wù)的有效管理是操作系統(tǒng)的主要功能。FreeRTOS下可實現(xiàn)創(chuàng)建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復(fù)任務(wù)、設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級、獲得任務(wù)相關(guān)信息等功能。下面主要討論FreeRTOS下任務(wù)創(chuàng)建和任務(wù)刪除的實現(xiàn)。當(dāng)調(diào)用sTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建一個新的任務(wù)時，F(xiàn)reeRTOS首先為新任務(wù)分配所需的內(nèi)存。若內(nèi)存分配成功，則初始化任務(wù)控制塊的任務(wù)名稱、堆棧深度和任務(wù)優(yōu)先級，然后根據(jù)堆棧的增長方向初始化任務(wù)控制塊的堆棧。接著，F(xiàn)reeRTOS把當(dāng)前創(chuàng)建的任務(wù)加入到就緒任務(wù)鏈表。若當(dāng)前此任務(wù)的優(yōu)先級為最高，則把此優(yōu)先級賦值給變量ucTopReadyPriorlty(其作用見2.1節(jié))。若任務(wù)調(diào)度程序已經(jīng)運行且當(dāng)前創(chuàng)建的任務(wù)優(yōu)先級為最高，則進(jìn)行任務(wù)切換.
    不同于μC／OS—II，F(xiàn)reeRTOS下任務(wù)刪除分兩步進(jìn)行。當(dāng)用戶調(diào)用vTaskDelete()函數(shù)后，執(zhí)行任務(wù)刪除的第一步：FreeRTOS先把要刪除的任務(wù)從就緒任務(wù)鏈表和事件等待鏈表中刪除，然后把此任務(wù)添加到任務(wù)刪除鏈表，若刪除的任務(wù)是當(dāng)前運行任務(wù)，系統(tǒng)就執(zhí)行任務(wù)調(diào)度函數(shù)，至此完成任務(wù)刪除的第一步。當(dāng)系統(tǒng)空閑任務(wù)即prvldleTask()函數(shù)運行時，若發(fā)現(xiàn)任務(wù)刪除鏈表中有等待刪除的任務(wù)，則進(jìn)行任務(wù)刪除的第二步，即釋放該任務(wù)占用的內(nèi)存空間，并把該任務(wù)從任務(wù)刪除鏈表中刪除，這樣才徹底刪除了這個任務(wù)。值得注意的是，在FreeRTOS中，當(dāng)系統(tǒng)被配置為不可剝奪內(nèi)核時，空閑任務(wù)還有實現(xiàn)各個任務(wù)切換的功能。
    通過比較μC／OS-II和FreeRTOS的具體代碼發(fā)現(xiàn)，采用兩步刪除的策略有利于減少內(nèi)核關(guān)斷時間，減少任務(wù)刪除函數(shù)的執(zhí)行時間，尤其是當(dāng)刪除多個任務(wù)的時候。
2.3 時間管理的實現(xiàn)
    FreeRTOS提供的典型時間管理函數(shù)是vTaskDelay()，調(diào)用此函數(shù)可以實現(xiàn)將任務(wù)延時一段特定時間的功能。在FreeRT0S中，若一個任務(wù)要延時xTicksToDelay個時鐘節(jié)拍，系統(tǒng)內(nèi)核會把當(dāng)前系統(tǒng)已運行的時鐘節(jié)拍總數(shù)(定義為xTickCount，32位長度)加上xTicksToDelay得到任務(wù)下次喚醒時的時鐘節(jié)拍數(shù)xTimeToWake。然后，內(nèi)核把此任務(wù)的任務(wù)控制塊從就緒鏈表中刪除，把xTim
eToWake作為結(jié)點值賦予任務(wù)的xItemValue，再根據(jù)xTimeToWake的值把任務(wù)控制塊按照順序插入不同的鏈表。若xTimeToWake>xTickCount，即計算中沒有出現(xiàn)溢出，內(nèi)核把任務(wù)控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表；若xTimeToWake<xTickCount，即在計算過程中出現(xiàn)溢出，內(nèi)核把任務(wù)控制塊插入到pxOverflowDelayed-Taskust鏈表。
    每發(fā)生一個時鐘節(jié)拍，內(nèi)核就會把當(dāng)前的xTick-Count加1。若xTickCount的結(jié)果為0，即發(fā)生溢出，內(nèi)核會把pxOverflowDelayedTaskList作為當(dāng)前鏈表；否則，內(nèi)核把pxDelaycdTaskList作為當(dāng)前鏈表。內(nèi)核依次比較xTickCotlrtt和鏈表各個結(jié)點的xTimcToWake。若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，說明延時時間已到，應(yīng)該把任務(wù)從等待鏈表中刪除，加入就緒鏈表。
    由此可見，不同于μC／OS—II，F(xiàn)reeRTOS采用“加”的方式實現(xiàn)時間管理。其優(yōu)點是時間節(jié)拍函數(shù)的執(zhí)行時間與任務(wù)數(shù)量基本無關(guān)，而μC／OS—II的OSTimcTick()的執(zhí)行時間正比于應(yīng)用程序中建立的任務(wù)數(shù)。因此當(dāng)任務(wù)較多時，F(xiàn)reeRTOS采用的時間管理方式能有效加快時鐘節(jié)拍中斷程序的執(zhí)行速度。
2.4 內(nèi)存分配策略
    每當(dāng)任務(wù)、隊列和信號量創(chuàng)建的時候，F(xiàn)reeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc()和free()函數(shù)可以實現(xiàn)申請和釋放內(nèi)存的功能，但這兩個函數(shù)存在以下缺點：并不是在所有的嵌入式系統(tǒng)中都可用，要占用不定的程序空間，可重人性欠缺以及執(zhí)行時間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc()和free()函數(shù)外，F(xiàn)reeRTOS還提供了另外兩種內(nèi)存分配的策略，用戶可以根據(jù)實際需要選擇不同的內(nèi)存分配策略。
    第1種方法是，按照需求內(nèi)存的大小簡單地把一大塊內(nèi)存分割為若干小塊，每個小塊的大小對應(yīng)于所需求內(nèi)存的大小。這樣做的好處是比較簡單，執(zhí)行時間可嚴(yán)格確定，適用于任務(wù)和隊列全部創(chuàng)建完畢后再進(jìn)行內(nèi)核調(diào)度的系統(tǒng)；這樣做的缺點是，由于內(nèi)存不能有效釋放，系統(tǒng)運行時應(yīng)用程序并不能實現(xiàn)刪除任務(wù)或隊列。
    第2種方法是，采用鏈表分配內(nèi)存，可實現(xiàn)動態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務(wù)或隊列。系統(tǒng)根據(jù)空閑內(nèi)存塊的大小按從小到大的順序組織空閑內(nèi)存鏈表。當(dāng)應(yīng)用程序申請一塊內(nèi)存時，系統(tǒng)根據(jù)申請內(nèi)存的大小按順序搜索空閑內(nèi)存鏈表，找到滿足申請內(nèi)存要求的最小空閑內(nèi)存塊。為了提高內(nèi)存的使用效率，在空閑內(nèi)存塊比申請內(nèi)存大的情況下，系統(tǒng)會把此空閑內(nèi)存塊一分為二。一塊用于滿足申請內(nèi)存的要求，一塊作為新的空閑內(nèi)存塊插入到鏈表中。
    下面以圖2為例介紹方法2的實現(xiàn)。假定用于動態(tài)分配的RAM共有8KB，系統(tǒng)首先初始化空閑內(nèi)存塊鏈表，把8KB RAM全部作為一個空閑內(nèi)存塊。當(dāng)應(yīng)用程序分別申請1KB和2KB內(nèi)存后，空閑內(nèi)存塊的大小變?yōu)?KB3。2KB的內(nèi)存使用完畢后，系統(tǒng)需要把2KB插入到現(xiàn)有的空閑內(nèi)存塊鏈表。由于2 KB<5KB，所以把這2 KB插入5KB的內(nèi)存塊之前。若應(yīng)用程序又需要申請3 KB的內(nèi)存，而在空閑內(nèi)存塊鏈表中能滿足申請內(nèi)存要求的最小空閑內(nèi)存塊為5KB，因此把5KB內(nèi)存拆分為2部分，3KB部分用于滿足申請內(nèi)存的需要，2KB部分作為新的空閑內(nèi)存塊插入鏈表。隨后1KB的內(nèi)存使用完畢需要釋放，系統(tǒng)會按順序把1KB內(nèi)存插入到空閑內(nèi)存鏈表中。
    方法2的優(yōu)點是，能根據(jù)任務(wù)需要高效率地使用內(nèi)存，尤其是當(dāng)不同的任務(wù)需要不同大小的內(nèi)存的時候。方法二的缺點是，不能把應(yīng)用程序釋放的內(nèi)存和原有的空閑內(nèi)存混合為一體，因此，若應(yīng)用程序頻繁申請與釋放“隨機(jī)”大小的內(nèi)存，就可能造成大量的內(nèi)存碎片。這就要求應(yīng)用程序申請與釋放內(nèi)存的大小為“有限個”固定的值(如圖2中申請與釋放內(nèi)存的大小固定為l KB、2 KB或3 KB)。方法2的另一個缺點是，程序執(zhí)行時間具有一定的不確定性。

    μC／OS—II提供的內(nèi)存管理機(jī)制是把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個分區(qū)中包含整數(shù)個大小相同的內(nèi)存塊。由于每個分區(qū)的大小相同，即使頻繁地申請和釋放內(nèi)存也不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片問題，但其缺點是內(nèi)存的利用率相對不高。當(dāng)申請和釋放的內(nèi)存大小均為一個固定值時(如均為2 KB)，F(xiàn)reeRTOS的方法2內(nèi)存分配策略就可以實現(xiàn)類似μC／OS—Ⅱ的內(nèi)存管理效果。
2.5 FreeRTOS的移植
    FreeRTOS操作系統(tǒng)可以被方便地移植到不同處理器上工作，現(xiàn)已提供了ARM、MSP430、AVR、PIC、C8051F等多款處理器的移植。FrceRTOS在不同處理器上的移植類似于μC／0S一II，故本文不再詳述FreeRTOS的移植。此外，TCP／IP協(xié)議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網(wǎng)站。
2.6 FreeRTOS的不足
    相對于常見的μC／OS—II操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)既有優(yōu)點也存在不足。其不足之處，一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實現(xiàn)，無法以后進(jìn)先出的順序向消息隊列發(fā)送消息；另一方面，F(xiàn)reeRTOS只是一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，需外擴(kuò)第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP／IP協(xié)議棧、FS(文件系統(tǒng))等才能實現(xiàn)一個較復(fù)雜的系統(tǒng)，不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無縫結(jié)合。

3 結(jié) 論
    作為一個源碼公開的操作系統(tǒng)，學(xué)習(xí)FreeRTOS可以更好地掌握嵌入式實時操作系統(tǒng)的實現(xiàn)原理；作為一個免費的操作系統(tǒng)，采用FreeRTOS可在基本滿足較小系統(tǒng)需要的情況下降低系統(tǒng)成本、簡化開發(fā)難度。在實踐中，采用FreeRTOS操作系統(tǒng)和MSP430單片機(jī)構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了較好的控制效果。相信隨著時間的發(fā)展，F(xiàn)reeRTOS會不斷完善其功能，以更好地滿足人們對嵌入式操作系統(tǒng)實時性、可靠性、易用性的要求。