FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)介紹
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作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，FreeRTOS提供的功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內核支持優(yōu)先級調度算法，每個任務可根據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)先級最高的任務先運行。FreeRT0S內核同時支持輪換調度算法，系統(tǒng)允許不同的任務使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務共享CPU的使用時間。
FreeRTOS的內核可根據用戶需要設置為可剝奪型內核或不可剝奪型內核。當FreeRTOS被設置為可剝奪型內核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務能剝奪低優(yōu)先級任務的CPU使用權，這樣可保證系統(tǒng)滿足實時性的要求;當FreeRTOS被設置為不可剝奪型內核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務只有等當前運行任務主動釋放CPU的使用權后才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行效率。
2 FreeRTOS操作系統(tǒng)的原理與實現
2. 1任務調度機制的實現
任務調度機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。對于可剝奪型內核，優(yōu)先級高的任務一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級較低任務的CPU使用權，提高了系統(tǒng)的實時響應能力。不同于μC/OS-II，FreeRTOS對系統(tǒng)任務的數量沒有限制，既支持優(yōu)先級調度算法也支持輪換調度算法，因此FreeRTOS采用雙向鏈表而不是采用查任務就緒表的方法來進行任務調度。系統(tǒng)定義的鏈表和鏈表節(jié)點數據結構如下所示：
FreeRTOS定義就緒任務鏈表數組為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的任務進入就緒態(tài)，需要把此任務對應的TCB中的結點xGenericListltem插入到鏈表pxReadyTasksLiStS[n]中，還要把xGenericListItem中的pvContainer指向pxReadyTasksLists[n]方可實現。
當進行任務調度時，調度算法首先實現優(yōu)先級調度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級從高到低的順序從就緒任務鏈表數組中尋找usNumberOfItems第一個不為0的優(yōu)先級，此優(yōu)先級即為當前最高就緒優(yōu)先級，據此實現優(yōu)先級調度。若此優(yōu)先級下只有一個就緒任務，則此就緒任務進入運行態(tài);若此優(yōu)先級下有多個就緒任務，則需采用輪換調度算法實現多任務輪流執(zhí)行。
若在優(yōu)先級n下執(zhí)行輪換調度算法，系統(tǒng)先通過執(zhí)行(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex=( pxReadyTasks-Lists[n ]) → pxlndex→pxNext語句得到當前結點所指向的下一個結點，再通過此結點的pvOwner指針得到對應的任務控制塊，最后使此任務控制塊對應的任務進入運行態(tài)。由此可見，在FreeRTOS中，相同優(yōu)先級任務之間的切換時間為一個時鐘節(jié)拍周期。
以圖1為例，設系統(tǒng)的最大任務數為pottMAX_PRIORITIES，在某一時刻進行任務調度時，得到pxReadyTasksLists[ i].usNumberOfItems=O(i=2...portMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists。usNumberOfItems=3。由此內核可知當前最高就緒優(yōu)先級為l，且此優(yōu)先級下已有三個任務已進入就緒態(tài).由于最高就緒優(yōu)先級下有多個就緒任務，系統(tǒng)需執(zhí)行輪換調度算法實現任務切換;通過指針pxlndex可知任務l為當前任務，而任務l的pxNext結點指向任務2，因此系統(tǒng)把pxIndex指向任務2并執(zhí)行任務2來實現任務調度。當下一個時鐘節(jié)拍到來時，若最高就緒優(yōu)先級仍為1，由圖可見，系統(tǒng)會把pxIndex指向任務3并執(zhí)行任務3。
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