FreeRTOS是一個(gè)源碼公開(kāi)的免費(fèi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)研究其內(nèi)核可以更好地理解嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理.本文主要闡述FreeRTOS系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度機(jī)制、時(shí)間管理機(jī)制、任務(wù)管理機(jī)制以及內(nèi)存分配策略的實(shí)現(xiàn)原理，并指出FreeRTOS在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對(duì)于C／OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行，其最新版本為2.6版。

1、FreeRTOS操作系統(tǒng)功能

作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)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(jí)調(diào)度算法，每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。FreeRT0S內(nèi)核同時(shí)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(jí)，在沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)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(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán)，這樣可保證系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性的要求；當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為不可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)只有等當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)主動(dòng)釋放CPU的使用權(quán)后才能獲得運(yùn)行，這樣可提高CPU的運(yùn)行效率。

2、FreeRTOS操作系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)

2.1任務(wù)調(diào)度機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

任務(wù)調(diào)度機(jī)制是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)重要概念，也是其核心技術(shù)。對(duì)于可剝奪型內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級(jí)較低任務(wù)的CPU使用權(quán)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。不同于μC／OS-II，F(xiàn)reeRTOS對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的數(shù)量沒(méi)有限制，既支持優(yōu)先級(jí)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(lái)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)定義的鏈表和鏈表節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度，為0表示鏈表為空
volatile xListItem * pxHead;//pxHead為鏈表的頭指***
volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向鏈表當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的指***
volatile xListItem xListEnd; //xListEnd為鏈表尾結(jié)點(diǎn)
}xList;
struct xLIST_ITEM { //定義鏈表結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
port Tick type xItem Value;
//xItem Value的值用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理
//port Tick Type為時(shí)***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(gè)結(jié)點(diǎn)
void * pvOwner;//指向此鏈表結(jié)點(diǎn)所在的任務(wù)控制塊
void * pvContainer;//指向此鏈表結(jié)點(diǎn)所在的鏈表}；
FreeRTOS中每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)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(jí)
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(duì)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(jí)。若想使優(yōu)先級(jí)為n的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，需要把此任務(wù)對(duì)應(yīng)的TCB中的結(jié)點(diǎn)xGenericListltem插入到鏈表pxReadyTasksLiStS[n]中，還要把xGenericListItem中的pvContainer指向pxReadyTasksLists[n]方可實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，調(diào)度算法首先實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級(jí)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(gè)不為0的優(yōu)先級(jí)，此優(yōu)先級(jí)即為當(dāng)前最高就緒優(yōu)先級(jí)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。若此優(yōu)先級(jí)下只有一個(gè)就緒任務(wù)，則此就緒任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)；若此優(yōu)先級(jí)下有多個(gè)就緒任務(wù)，則需采用輪換調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)輪流執(zhí)行。

若在優(yōu)先級(jí)n下執(zhí)行輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)先通過(guò)執(zhí)行(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex=( pxReadyTasks-Lists[n ]) → pxlndex→pxNext語(yǔ)句得到當(dāng)前結(jié)點(diǎn)所指向的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)，再通過(guò)此結(jié)點(diǎn)的pvOwner指***得到對(duì)應(yīng)的任務(wù)控制塊，最后使此任務(wù)控制塊對(duì)應(yīng)的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。由此可見(jiàn)，在FreeRTOS中，相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)之間的切換時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍周期。

以圖1為例，設(shè)系統(tǒng)的最大任務(wù)數(shù)為pottMAX_PRIORITIES，在某一時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，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(jí)為l，且此優(yōu)先級(jí)下已有三個(gè)任務(wù)已進(jìn)入就緒態(tài)．由于最高就緒優(yōu)先級(jí)下有多個(gè)就緒任務(wù)，系統(tǒng)需執(zhí)行輪換調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換；通過(guò)指***pxlndex可知任務(wù)l為當(dāng)前任務(wù)，而任務(wù)l的pxNext結(jié)點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)時(shí)，若最高就緒優(yōu)先級(jí)仍為1，由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)會(huì)把pxIndex指向任務(wù)3并執(zhí)行任務(wù)3。

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圖1 任務(wù)調(diào)度示意

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_PRIORITIES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。

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_PRIORITIES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 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。