實時操作系統Free RTOS

簡介 FreeRTOS是一個迷你的實時操作系統內核。作為一個輕量級的操作系統，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、軟件定時器、協程等，可基本滿足較小系統的需要。

由于RTOS需占用一定的系統資源（尤其是RAM資源），只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數實時操作系統能在小RAM單片機上運行。相對μC/OS-II、embOS等商業操作系統，FreeRTOS操作系統是完全免費的操作系統，具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行。

原理與實現

任務調度機制是嵌入式實時操作系統的一個重要概念，也是其核心技術。對于可剝奪型內核，優先級高的任務一旦就緒就能剝奪優先級較低任務的CPU使用權，提高了系統的實時響應能力。不同于μC/OS-II，FreeRTOS對系統任務的數量沒有限制，既支持優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。

任務管理是實現多個任務的有效管理是操作系統的主要功能。FreeRTOS下可實現創建任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務、設定任務優先級、獲得任務相關信息等功能。下面主要討論FreeRTOS下任務創建和任務刪除的實現。當調用sTaskCreate（）函數創建一個新的任務時，FreeRTOS首先為新任務分配所需的內存。若內存分配成功，則初始化任務控制塊的任務名稱、堆棧深度和任務優先級，然后根據堆棧的增長方向初始化任務控制塊的堆棧。接著，FreeRTOS把當前創建的任務加入到就緒任務鏈表。若當前此任務的優先級為最高，則把此優先級賦值給變量ucTopReadyPriorlty。若任務調度程序已經運行且當前創建的任務優先級為最高，則進行任務切換。

不同于μC/OS—II，FreeRTOS下任務刪除分兩步進行。當用戶調用vTaskDelete（）函數后，執行任務刪除的第一步：FreeRTOS先把要刪除的任務從就緒任務鏈表和事件等待鏈表中刪除，然后把此任務添加到任務刪除鏈表，若刪除的任務是當前運行任務，系統就執行任務調度函數，至此完成任務刪除的第一步。當系統空閑任務即prvldleTask（）函數運行時，若發現任務刪除鏈表中有等待刪除的任務，則進行任務刪除的第二步，即釋放該任務占用的內存空間，并把該任務從任務刪除鏈表中刪除，這樣才徹底刪除了這個任務。值得注意的是，在FreeRTOS中，當系統被配置為不可剝奪內核時，空閑任務還有實現各個任務切換的功能。

通過比較μC/OS-II和FreeRTOS的具體代碼發現，采用兩步刪除的策略有利于減少內核關斷時間，減少任務刪除函數的執行時間，尤其是當刪除多個任務的時候。

時間管理的實現，FreeRTOS提供的典型時間管理函數是vTaskDelay（），調用此函數可以實現將任務延時一段特定時間的功能。在FreeRT0S中，若一個任務要延時xTicksToDelay個時鐘節拍，系統內核會把當前系統已運行的時鐘節拍總數（定義為xTickCount，32位長度）加上xTicksToDelay得到任務下次喚醒時的時鐘節拍數xTimeToWake。然后，內核把此任務的任務控制塊從就緒鏈表中刪除，把xTimeToWake作為結點值賦予任務的xItemValue，再根據xTimeToWake的值把任務控制塊按照順序插入不同的鏈表。

若xTimeToWake》xTickCount，即計算中沒有出現溢出，內核把任務控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表；若xTimeToWake 每發生一個時鐘節拍，內核就會把當前的xTick-Count加1。若xTickCount的結果為0，即發生溢出，內核會把pxOverflowDelayedTaskList作為當前鏈表；否則，內核把pxDelaycdTaskList作為當前鏈表。內核依次比較xTickCotlrtt和鏈表各個結點的xTimcToWake。

若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，說明延時時間已到，應該把任務從等待鏈表中刪除，加入就緒鏈表。由此可見，不同于μC/OS—II，FreeRTOS采用“加”的方式實現時間管理。其優點是時間節拍函數的執行時間與任務數量基本無關，而μC/OS—II的OSTimcTick（）的執行時間正比于應用程序中建立的任務數。因此當任務較多時，FreeRTOS采用的時間管理方式能有效加快時鐘節拍中斷程序的執行速度。

內存分配策略，每當任務、隊列和信號量創建的時候，FreeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc（）和free（）函數可以實現申請和釋放內存的功能，但這兩個函數存在以下缺點：并不是在所有的嵌入式系統中都可用，要占用不定的程序空間，可從入性欠缺以及執行時間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc（）和free（）函數外，FreeRTOS還提供了另外兩種內存分配的策略，用戶可以根據實際需要選擇不同的內存分配策略。

第1種方法是，按照需求內存的大小簡單地把一大塊內存分割為若干小塊，每個小塊的大小對應于所需求內存的大小。這樣做的好處是比較簡單，執行時間可嚴格確定，適用于任務和隊列全部創建完畢后再進行內核調度的系統；這樣做的缺點是，由于內存不能有效釋放，系統運行時應用程序并不能實現刪除任務或隊列。

第2種方法是，采用鏈表分配內存，可實現動態的創建、刪除任務或隊列。系統根據空閑內存塊的大小按從小到大的順序組織空閑內存鏈表。當應用程序申請一塊內存時，系統根據申請內存的大小按順序搜索空閑內存鏈表，找到滿足申請內存要求的最小空閑內存塊。為了提高內存的使用效率，在空閑內存塊比申請內存大的情況下，系統會把此空閑內存塊一分為二。一塊用于滿足申請內存的要求，一塊作為新的空閑內存塊插入到鏈表中。

FreeRTOS的移植，FreeRTOS操作系統可以被方便地移植到不同處理器上工作，現已提供了ARM、MSP430、AVR、PIC、C8051F等多款處理器的移植。FreeRTOS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協議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網站。

FreeRTOS的不足　相對于常見的μC/OS—II操作系統，FreeRTOS操作系統既有優點也存在不足。其不足之處，一方面體現在系統的服務功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實現，無法以后進先出的順序向消息隊列發送消息；另一方面，FreeRTOS只是一個操作系統內核，需外擴第三方的GUI（圖形用戶界面）、TCP/IP協議棧、FS（文件系統）等才能實現一個較復雜的系統，不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等無縫結合。

在嵌入式領域，FreeRTOS是不多的同時具有實時性，開源性，可靠性，易用性，多平臺支持等特點的嵌入式操作系統。目前，FreeRTOS已經發展到支持包含X86，Xilinx，Altera等多達30種的硬件平臺，其廣闊的應用前景已經越來越受到業內人士的矚目。

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