嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与实现

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在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统正得到越来越广泛的应用。采用嵌入式实时操作系统（rtos）可以更合理、更有效地利用cpu的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。由于rtos需占用一定的系统资源（尤其是ram资源），只有μc/os-ii、embos、salvo、freertos等少数实时操作系统能在小ram单片机上运行。相对于c/os-ii、embos等商业操作系统，freertos操作系统是完全免费的操作系统，具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点，可以方便地移植到各种单片机上运行，其最新版本为2.6版。

1 freertos操作系统功能

作为一个轻量级的操作系统，freertos提供的功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。freertos内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的不同被赋予一定的优先级，cpu总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运行。freert0s内核同时支持轮换调度算法，系统允许不同的任务使用相同的优先级，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享cpu的使用时间。

freertos的内核可根据用户需要设置为可剥夺型内核或不可剥夺型内核。当freertos被设置为可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务能剥夺低优先级任务的cpu使用权，这样可保证系统满足实时性的要求；当freertos被设置为不可剥夺型内核时，处于就绪态的高优先级任务只有等当前运行任务主动释放cpu的使用权后才能获得运行，这样可提高cpu的运行效率。

2 freertos操作系统的原理与实现

2. 1任务调度机制的实现

任务调度机制是嵌入式实时操作系统的一个重要概念，也是其核心技术。对于可剥夺型内核，优先级高的任务一旦就绪就能剥夺优先级较低任务的cpu使用权，提高了系统的实时响应能力。不同于μc/os-ii，freertos对系统任务的数量没有限制，既支持优先级调度算法也支持轮换调度算法，因此freertos采用双向链表而不是采用查任务就绪表的方法来进行任务调度。系统定义的链表和链表节点数据结构如下所示：

typedef struct xlist｛ //定义链表结构
unsigned portshorpt usnumberofitems;

//usnumberofitems为链表的长度，为0表示链表为空

volatile xlistitem ＊ pxhead;//pxhead为链表的头指针

volatile xlistitem ＊ pxindex; //pxindex指向链表当前结点的指针

volatile xlistitem xlistend; //xlistend为链表尾结点

｝xlist;

struct xlist_item ｛ //定义链表结点的结构

port tick type xitem value;

//xitem value的值用于实现时间管理

//port tick type为时针节拍数据类型，

//可根据需要选择为16位或32位

volatile struct xlist_item ＊ pxnext;

//指向链表的前一个结点

void ＊ pvowner;//指向此链表结点所在的任务控制块

void ＊ pvcontainer;//指向此链表结点所在的链表｝；

freertos中每个任务对应于一个任务控制块（tcb），其定义如下所示：

typedef struct tsktaskcontrolblock ｛

portstack_type ＊ pxtopofstack;

//指向任务堆栈结束处

portstack_type ＊ pxstack;

//指向任务堆栈起始处

unsigned portshort usstackdepth; //定义堆栈深度

signed portchar pctaskname[tskmax_task_name_len];//任务名称

unsigned portchar ucpriority; //任务优先级

xlistitem xgenericlistitem;

//用于把tcb插入就绪链表或等待链表

xlistitem xeventlistitem;

//用于把tcb插入事件链表（如消息队列）

unsigned portchar uctcbnumber; //用于记录功能

｝tsktcb;

freertos定义就绪任务链表数组为xlist pxready—taskslists[portmax_priorities]。其中portmax_priorities为系统定义的最大优先级。若想使优先级为n的任务进入就绪态，需要把此任务对应的tcb中的结点xgenericlistltem插入到链表pxreadytaskslists[n]中，还要把xgenericlistitem中的pvcontainer指向pxreadytaskslists[n]方可实现。

当进行任务调度时，调度算法首先实现优先级调度。系统按照优先级从高到低的顺序从就绪任务链表数组中寻找usnumberofitems第一个不为0的优先级，此优先级即为当前最高就绪优先级，据此实现优先级调度。若此优先级下只有一个就绪任务，则此就绪任务进入运行态；若此优先级下有多个就绪任务，则需采用轮换调度算法实现多任务轮流执行。

若在优先级n下执行轮换调度算法，系统先通过执行（pxreadytaskslists[n]）→pxindex=（pxreadytasks-lists[n]）→pxlndex→pxnext语句得到当前结点所指向的下一个结点，再通过此结点的pvowner指针得到对应的任务控制块，最后使此任务控制块对应的任务进入运行态。由此可见，在freertos中，相同优先级任务之间的切换时间为一个时钟节拍周期。

以图l为例，设系统的最大任务数为pottmax_priorities，在某一时刻进行任务调度时，得到pxreadytaskslists[i]．usnumberofitems=o（i=2...portmax_priorities）以及pxreadytaskslists[1]。usnumberofitems=3。由此内核可知当前最高就绪优先级为l，且此优先级下已有三个任务已进入就绪态．由于最高就绪优先级下有多个就绪任务，系统需执行轮换调度算法实现任务切换；通过指针pxlndex可知任务l为当前任务，而任务l的pxnext结点指向任务2，因此系统把pxindex指向任务2并执行任务2来实现任务调度。当下一个时钟节拍到来时，若最高就绪优先级仍为1，由图l可见，系统会把pxindex指向任务3并执行任务3。

为了加快任务调度的速度，frecrtos通过变量uctopreadypriotity跟踪当前就绪的最高优先级。当把一个任务加入就绪链表时，如果此任务的优先级高于uctopreadypriority，则把这个任务的优先级赋予uctopreadypriority。这样当进行优先级调度时，调度算法不是从portmax_priorities而是从uctopready-priority开始搜索。这就加快了搜索的速度，同时缩短了内核关断时间。

2.2 任务管理的实现

实现多个任务的有效管理是操作系统的主要功能。freertos下可实现创建任务、删除任务、挂起任务、恢复任务、设定任务优先级、获得任务相关信息等功能。下面主要讨论freertos下任务创建和任务删除的实现。当调用staskcreate（）函数创建一个新的任务时，freertos首先为新任务分配所需的内存。若内存分配成功，则初始化任务控制块的任务名称、堆栈深度和任务优先级，然后根据堆栈的增长方向初始化任务控制块的堆栈。接着，freertos把当前创建的任务加入到就绪任务链表。若当前此任务的优先级为最高，则把此优先级赋值给变量uctopreadypriorlty（其作用见2.1节）。若任务调度程序已经运行且当前创建的任务优先级为最高，则进行任务切换.