在嵌入式領域中，嵌入式實時作業系統正得到越來越廣泛的套用。採用嵌入式實時作業系統(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化套用軟體的設計，縮短系統開發時間，更好地保證系統的實時性和可靠性。
基本介紹
- 外文名：FreeRTOS
- 本質：小型實時作業系統核心
- 功能包括：任務管理、時間管理、記憶體管理
- 特點：源碼公開、可移植、可裁減
簡介,功能和特點,原理與實現,系統功能,結 論,版本發布,
簡介
FreeRTOS是一個迷你的實時作業系統核心。作為一個輕量級的作業系統，功能包括：任務管理、時間管理、信號量、訊息佇列、記憶體管理、記錄功能、軟體定時器、協程等，可基本滿足較小系統的需要。
由於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等少數實時作業系統能在小RAM單片機上運行。相對μC/OS-II、embOS等商業作業系統，FreeRTOS作業系統是完全免費的作業系統，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，其最新版本為10.1.0版。
功能和特點
用戶可配置核心功能
多平台的支持
提供一個高層次的信任代碼的完整性
目標代碼小，簡單易用
遵循MISRA-C標準的編程規範
強大的執行跟蹤功能
堆疊溢出檢測
沒有限制的任務數量
沒有限制的任務優先權
多個任務可以分配相同的優先權
佇列，二進制信號量，計數信號燈和遞歸通信和同步的任務
優先權繼承
免費開源的原始碼
原理與實現
任務調度機制是嵌入式實時作業系統的一個重要概念，也是其核心技術。對於可剝奪型核心，優先權高的任務一旦就緒就能剝奪優先權較低任務的CPU使用權，提高了系統的實時回響能力。不同於μC/OS-II，FreeRTOS對系統任務的數量沒有限制，既支持優先權調度算法也支持輪換調度算法，因此FreeRTOS採用雙向鍊表而不是採用查任務就緒表的方法來進行任務調度。系統定義的鍊表和鍊表節點數據結構如下所示：
//定義鍊表結構
typedef struct xLIST{
unsigned portSHORPT usNumberOfItems; //usNumberOfItems為鍊表的長度，為0表示鍊表為空
volatile xListItem * pxHead; //pxHead為鍊表的頭指針
volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向鍊表當前結點的指針
volatile xListItem xListEnd; //xListEnd為鍊表尾結點
}xList;
//定義鍊表結點的結構
struct xLIST_ITEM {
port Tick type; //port Tick Type為時針節拍數據類型，
xItem Value; //xItem Value的值用於實現時間管理，可根據需要選擇為16位或32位
volatile struct xLIST_ITEM * pxNext; //指向鍊表的前一個結點
void * pvOwner; //指向此鍊表結點所在的任務控制塊
void * pvContainer; //指向此鍊表結點所在的鍊表
};
FreeRTOS中每個任務對應於一個任務控制塊(TCB)，其定義如下所示：
typedef struct tskTaskControlBlock {
portSTACK_TYPE * pxTopOfStack; //指向任務堆疊結束處
portSTACK_TYPE * pxStack; //指向任務堆疊起始處
unsigned portSHORT usStackDepth; //定義堆疊深度
signed portCHAR pcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN]; //任務名稱
unsigned portCHAR ucPriority; //任務優先權
xListItem xGenericListItem; //用於把TCB插入就緒鍊表或等待鍊表
xListItem xEventListItem; //用於把TCB插入事件鍊表（如訊息佇列）
unsigned portCHAR ucTCBNumber; //用於記錄功能
}tskTCB;
FreeRTOS定義就緒任務鍊表數組為xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES為系統定義的最大優先權。若想使優先權為n的任務進入就緒態，需要把此任務對應的TCB中的結點xGenericListltem插入到鍊表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先權調度。系統按照優先權從高到低的順序從就緒任務鍊表數組中尋找usNumberOfItems第一個不為0的優先權，此優先權即為當前最高就緒優先權，據此實現優先權調度。若此優先權下只有一個就緒任務，則此就緒任務進入運行態；若此優先權下有多個就緒任務，則需採用輪換調度算法實現多任務輪流執行。
若在優先權n下執行輪換調度算法，系統先通過執行
(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，最後使此任務控制塊對應的任務進入運行態。由此可見，在FreeRTOS中，相同優先權任務之間的切換時間為一個時鐘節拍周期。
以圖l為例，設系統的最大任務數為pottMAX_PRIORITIES，在某一時刻進行任務調度時，得到pxReadyTasksLists．usNumberOfItems=O(i=2...portMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists[1]。usNumberOfItems=3。由此核心可知當前最高就緒優先權為l，且此優先權下已有三個任務已進入就緒態．由於最高就緒優先權下有多個就緒任務，系統需執行輪換調度
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，因此系統把pxIndex指向任務2並執行任務2來實現任務調度。當下一個時鐘節拍到來時，若最高就緒優先權仍為1，由圖l可見，系統會把pxIndex指向任務3並執行任務3。
為了加快任務調度的速度，FrecRTOS通過變數ucTopReadyPriotity跟蹤當前就緒的最高優先權。當把一個任務加入就緒鍊表時，如果此任務的優先權高於ucTopReadyPriority，則把這個任務的優先權賦予ucTopReadyPriority。這樣當進行優先權調度時，調度算法不是從portMAX_PRIORITIES而是從ucTopReady-Priority開始搜尋。這就加快了搜尋的速度，同時縮短了核心關斷時間。
2.2任務管理的實現 實現多個任務的有效管理是作業系統的主要功能。FreeRTOS下可實現創建任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務、設定任務優先權、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()函式創建一個新的任務時，FreeRTOS首先為新任務分配所需的記憶體。若記憶體分配成功，則初始化任務控制塊的任務名稱、堆疊深度和任務優先權，然後根據堆疊的增長方向初始化任務控制塊的堆疊。接著，FreeRTOS把當前創建的任務加入到就緒任務鍊表。若當前此任務的優先權為最高，則把此優先權賦值給變數ucTopReadyPriorlty(其作用見2.1節)。若任務調度程式已經運行且當前創建的任務優先權為最高，則進行任務切換.
不同於μC/OS—II，FreeRTOS下任務刪除分兩步進行。當用戶調用vTaskDelete()函式後，執行任務刪除的第一步：FreeRTOS先把要刪除的任務從就緒任務鍊表和事件等待鍊表中刪除，然後把此任務添加到任務刪除鍊表，若刪除的任務是當前運行任務，系統就執行任務調度函式，至此完成任務刪除的第一步。當系統空閒任務即prvldleTask()函式運行時，若發現任務刪除鍊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記憶體空間，並把該任務從任務刪除鍊表中刪除，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核心時，空閒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，採用兩步刪除的策略有利於減少核心關斷時間，減少任務刪除函式的執行時間，尤其是當刪除多個任務的時候。
2.3時間管理的實現 FreeRTOS提供的典型時間管理函式是vTaskDelay()，調用此函式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，系統核心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。然後，核心把此任務的任務控制塊從就緒鍊表中刪除，把xTim
eToWake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鍊表。若xTimeToWake>xTickCount，即計算中沒有出現溢出，核心把任務控制塊插入到pxDelayedTaskList鍊表；若xTimeToWake 每發生一個時鐘節拍，核心就會把當前的xTick-Count加1。若xTickCount的結果為0，即發生溢出，核心會把pxOverflowDelayedTaskList作為當前鍊表；否則，核心把pxDelaycdTaskList作為當前鍊表。核心依次比較xTickCotlrtt和鍊表各個結點的xTimcToWake。若xTick-Count等於或大於xTimeToWake，說明延時時間已到，應該把任務從等待鍊表中刪除，加入就緒鍊表。
由此可見，不同於μC/OS—II，FreeRTOS採用“加”的方式實現時間管理。其優點是時間節拍函式的執行時間與任務數量基本無關，而μC/OS—II的OSTimcTick()的執行時間正比於應用程式中建立的任務數。因此當任務較多時，FreeRTOS採用的時間管理方式能有效加快時鐘節拍中斷程式的執行速度。
2.4記憶體分配策略 每當任務、佇列和信號量創建的時候，FreeRTOS要求分配一定的RAM。雖然採用malloc()和free()函式可以實現申請和釋放記憶體的功能，但這兩個函式存在以下缺點：並不是在所有的嵌入式系統中都可用，要占用不定的程式空間，可重入性欠缺以及執行時間具有不可確定性。為此，除了可採用malloc()和free()函式外，FreeRTOS還提供了另外兩種記憶體分配的策略，用戶可以根據實際需要選擇不同的記憶體分配策略。
第1種方法是，按照需求記憶體的大小簡單地把一大塊記憶體分割為若干小塊，每個小塊的大小對應於所需求記憶體的大小。這樣做的好處是比較簡單，執行時間可嚴格確定，適用於任務和佇列全部創建完畢後再進行核心調度的系統；這樣做的缺點是，由於記憶體不能有效釋放，系統運行時應用程式並不能實現刪除任務或佇列。
第2種方法是，採用鍊表分配記憶體，可實現動態的創建、刪除任務或佇列。系統根據空閒記憶體塊的大小按從小到大的順序組織空閒記憶體鍊表。當應用程式申請一塊記憶體時，系統根據申請記憶體的大小按順序搜尋空閒記憶體鍊表，找到滿足申請記憶體要求的最小空閒記憶體塊。為了提高記憶體的使用效率，在空閒記憶體塊比申請記憶體大的情況下，系統會把此空閒記憶體塊一分為二。一塊用於滿足申請記憶體的要求，一塊作為新的空閒記憶體塊插入到鍊表中。
下面以圖2為例介紹方法2的實現。假定用於動態分配的RAM共有8KB，系統首先初始化空閒記憶體塊鍊表，把8KB RAM全部作為一個空閒記憶體塊。當應用程式分別申請1KB和2KB記憶體後，空閒記憶體塊的大小變為5KB3。2KB的記憶體使用完畢後，系統需要把2KB插入到現有的空閒記憶體塊鍊表。由於2 KB<5KB，所以把這2 KB插入5KB的記憶體塊之前。若應用程式又需要申請3 KB的記憶體，而在空閒記憶體塊鍊表中能滿足申請記憶體要求的最小空閒記憶體塊為5KB，因此把5KB記憶體拆分為2部分，3KB部分用於滿足申請記憶體的需要，2KB部分作為新的空閒記憶體塊插入鍊表。隨後1KB的記憶體使用完畢需要釋放，系統會按順序把1KB記憶體插入到空閒記憶體鍊表中。
方法2的優點是，能根據任務需要高效率地使用記憶體，尤其是當不同的任務需要不同大小的記憶體的時候。方法二的缺點是，不能把應用程式釋放的記憶體和原有的空閒記憶體混合為一體，因此，若應用程式頻繁申請與釋放“隨機”大小的記憶體，就可能造成大量的記憶體碎片。這就要求應用程式申請與釋放記憶體的大小為“有限個”固定的值(如圖2中申請與釋放記憶體的大小固定為l KB、2 KB或3 KB)。方法2的另一個缺點是，程式執行時間具有一定的不確定性。
μC/OS—II提供的記憶體管理機制是把連續的大塊記憶體按分區來管理，每個分區中包含整數個大小相同的記憶體塊。由於每個分區的大小相同，即使頻繁地申請和釋放記憶體也不會產生記憶體碎片問題，但其缺點是記憶體的利用率相對不高。當申請和釋放的記憶體大小均為一個固定值時(如均為2 KB)，FreeRTOS的方法2記憶體分配策略就可以實現類似μC/OS—Ⅱ的記憶體管理效果。
2.5FreeRTOS的移植 FreeRTOS作業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於μC/0S一II，故本文不再詳述FreeRTOS的移植。此外，TCP/IP協定棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網站。
2.6FreeRTOS的不足 相對於常見的μC/OS—II作業系統，FreeRTOS作業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只提供了訊息佇列和信號量的實現，無法以後進先出的順序向訊息佇列傳送訊息；另一方面，FreeRTOS只是一個作業系統核心，需外擴第三方的GUI(圖形用戶界面)、TCP/IP協定棧、FS(檔案系統)等才能實現一個較複雜的系統，不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等無縫結合。
系統功能
作為一個輕量級的作業系統，FreeRTOS提供的功能包括：任務管理、時間管理、信號量、訊息佇列、記憶體管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統的需要。FreeRTOS核心支持優先權調度算法，每個任務可根據重要程度的不同被賦予一定的優先權，CPU總是讓處於就緒態的、優先權最高的任務先運行。FreeRTOS核心同時支持輪換調度算法，系統允許不同的任務使用相同的優先權，在沒有更高優先權任務就緒的情況下，同一優先權的任務共享CPU的使用時間。
FreeRTOS的核心可根據用戶需要設定為可剝奪型核心或不可剝奪型核心。當FreeRTOS被設定為可剝奪型核心時，處於就緒態的高優先權任務能剝奪低優先權任務的CPU使用權，這樣可保證系統滿足實時性的要求；當FreeRTOS被設定為不可剝奪型核心時，處於就緒態的高優先權任務只有等當前運行任務主動釋放CPU的使用權後才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行效率。
結 論
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，多平台支持等特點的嵌入式作業系統。目前，FreeRTOS已經發展到支持包含X86，Xilinx，Altera等多達30種的硬體平台，其廣闊的套用前景已經越來越受到業內人士的矚目。
版本發布
FreeRTOS V8.2.1 2015年3月.24日
新增對MSP432的支持。
