FreeRTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　為了加快任務(wù)調(diào)度的速度，F(xiàn)recRTOS通過(guò)變量ucTopReadyPriotity跟蹤當(dāng)前就緒的最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)把一個(gè)任務(wù)加入就緒鏈表時(shí)，如果此任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于ucTopReadyPriority，則把這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)賦予ucTopReadyPriority。這樣當(dāng)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)度時(shí)，調(diào)度算法不是從portMAX_PRIORIT

　　IES而是從ucTopReady-Priority開(kāi)始搜索。這就加快了搜索的速度，同時(shí)縮短了內(nèi)核關(guān)斷時(shí)間。

　　2.2 任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的有效管理是操作系統(tǒng)的主要功能。FreeRTOS下可實(shí)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(jí)、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(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)用sTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)時(shí)，FreeRTOS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(jí)，然后根據(jù)堆棧的增長(zhǎng)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(jí)為最高，則把此優(yōu)先級(jí)賦值給變量ucTopReadyPriorlty(其作用見(jiàn)2.1節(jié))。若任務(wù)調(diào)度程序已經(jīng)運(yùn)行且當(dāng)前創(chuàng)建的任務(wù)優(yōu)先級(jí)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?jiǎng)h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(yùn)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(yùn)行時(shí)，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(gè)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(shí)，空閑任務(wù)還有實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)切換的功能。

　　通過(guò)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(shí)間，減少任務(wù)刪除函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，尤其是當(dāng)刪除多個(gè)任務(wù)的時(shí)候。

　　2.3 時(shí)間管理的實(shí)現(xiàn)

　　FreeRTOS提供的典型時(shí)間管理函數(shù)是vTaskDelay()，調(diào)用此函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)將任務(wù)延時(shí)一段特定時(shí)間的功能。在FreeRT0S中，若一個(gè)任務(wù)要延時(shí)xTicksToDelay個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)把當(dāng)前系統(tǒng)已運(yùn)行的時(shí)鐘節(jié)拍總數(shù)(定義為xTickCount，32位長(zhǎng)度)加上x(chóng)TicksToDelay得到任務(wù)下次喚醒時(shí)的時(shí)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xTimeToWake作為結(jié)點(diǎn)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(jì)算中沒(méi)有出現(xiàn)溢出，內(nèi)核把任務(wù)控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表;若xTimeToWak e xTickCount，即在計(jì)算過(guò)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(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，內(nèi)核就會(huì)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(huì)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(gè)結(jié)點(diǎn)的xTimcToWake。若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，說(shuō)明延時(shí)時(shí)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(jiàn)，不同于μC/OS—II，F(xiàn)reeRTOS采用“加”的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理。其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間節(jié)拍函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間與任務(wù)數(shù)量基本無(wú)關(guān)，而μC/OS—II的OSTimcTick()的執(zhí)行時(shí)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(shí)，F(xiàn)reeRTOS采用的時(shí)間管理方式能有效加快時(shí)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(duì)列和信號(hào)量創(chuàng)建的時(shí)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(shí)現(xiàn)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的功能，但這兩個(gè)函數(shù)存在以下缺點(diǎn)：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(shí)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(shí)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(jiǎn)單地把一大塊內(nèi)存分割為若干小塊，每個(gè)小塊的大小對(duì)應(yīng)于所需求內(nèi)存的大小。這樣做的好處是比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間可嚴(yán)格確定，適用于任務(wù)和隊(duì)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(diǎn)是，由于內(nèi)存不能有效釋放，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)用程序并不能實(shí)現(xiàn)刪除任務(wù)或隊(duì)列。

　　第2種方法是，采用鏈表分配內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務(wù)或隊(duì)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(qǐng)一塊內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)申請(qǐng)內(nèi)存的大小按順序搜索空閑內(nèi)存鏈表，找到滿足申請(qǐng)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(qǐng)內(nèi)存大的情況下，系統(tǒng)會(huì)把此空閑內(nèi)存塊一分為二。一塊用于滿足申請(qǐng)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(shí)現(xiàn)。假定用于動(dòng)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(gè)空閑內(nèi)存塊。當(dāng)應(yīng)用程序分別申請(qǐng)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 KB5KB，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(qǐng)3 KB的內(nèi)存，而在空閑內(nèi)存塊鏈表中能滿足申請(qǐng)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(qǐng)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(huì)按順序把1KB內(nèi)存插入到空閑內(nèi)存鏈表中。