實時操作系統(tǒng)Free RTOS

簡介 FreeRTOS是一個迷你的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。

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)實時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對μC/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、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。

原理與實現(xiàn)

任務(wù)調(diào)度機(jī)制是嵌入式實時操作系統(tǒng)的一個重要概念，也是其核心技術(shù)。對于可剝奪型內(nèi)核，優(yōu)先級高的任務(wù)一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級較低任務(wù)的CPU使用權(quán)，提高了系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力。不同于μC/OS-II，F(xiàn)reeRTOS對系統(tǒng)任務(wù)的數(shù)量沒有限制，既支持優(yōu)先級調(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)就緒表的方法來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

任務(wù)管理是實現(xiàn)多個任務(wù)的有效管理是操作系統(tǒng)的主要功能。FreeRTOS下可實現(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、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)刪除的實現(xiàn)。當(dāng)調(diào)用sTaskCreate（）函數(shù)創(chuàng)建一個新的任務(wù)時，F(xiàn)reeRTOS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，然后根據(jù)堆棧的增長方向初始化任務(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)先級為最高，則把此優(yōu)先級賦值給變量ucTopReadyPriorlty。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先把要刪除的任務(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，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，空閑任務(wù)還有實現(xiàn)各個任務(wù)切換的功能。

通過比較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)斷時間，減少任務(wù)刪除函數(shù)的執(zhí)行時間，尤其是當(dāng)刪除多個任務(wù)的時候。

時間管理的實現(xiàn)，F(xiàn)reeRTOS提供的典型時間管理函數(shù)是vTaskDelay（），調(diào)用此函數(shù)可以實現(xiàn)將任務(wù)延時一段特定時間的功能。在FreeRT0S中，若一個任務(wù)要延時xTicksToDelay個時鐘節(jié)拍，系統(tǒng)內(nèi)核會把當(dāng)前系統(tǒng)已運(yùn)行的時鐘節(jié)拍總數(shù)（定義為xTickCount，32位長度）加上xTicksToDelay得到任務(wù)下次喚醒時的時鐘節(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，即計算中沒有出現(xiàn)溢出，內(nèi)核把任務(wù)控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表；若xTimeToWake 每發(fā)生一個時鐘節(jié)拍，內(nèi)核就會把當(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和鏈表各個結(jié)點(diǎn)的xTimcToWake。

若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，說明延時時間已到，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，不同于μC/OS—II，F(xiàn)reeRTOS采用“加”的方式實現(xiàn)時間管理。其優(yōu)點(diǎn)是時間節(jié)拍函數(shù)的執(zhí)行時間與任務(wù)數(shù)量基本無關(guān)，而μC/OS—II的OSTimcTick（）的執(zhí)行時間正比于應(yīng)用程序中建立的任務(wù)數(shù)。因此當(dāng)任務(wù)較多時，F(xiàn)reeRTOS采用的時間管理方式能有效加快時鐘節(jié)拍中斷程序的執(zhí)行速度。

內(nèi)存分配策略，每當(dāng)任務(wù)、隊列和信號量創(chuàng)建的時候，F(xiàn)reeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc（）和free（）函數(shù)可以實現(xiàn)申請和釋放內(nèi)存的功能，但這兩個函數(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，可從入性欠缺以及執(zhí)行時間具有不可確定性。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)存的大小簡單地把一大塊內(nèi)存分割為若干小塊，每個小塊的大小對應(yīng)于所需求內(nèi)存的大小。這樣做的好處是比較簡單，執(zhí)行時間可嚴(yán)格確定，適用于任務(wù)和隊列全部創(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)行時應(yīng)用程序并不能實現(xiàn)刪除任務(wù)或隊列。

第2種方法是，采用鏈表分配內(nèi)存，可實現(xiàn)動態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務(wù)或隊列。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)用程序申請一塊內(nèi)存時，系統(tǒng)根據(jù)申請內(nèi)存的大小按順序搜索空閑內(nèi)存鏈表，找到滿足申請內(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)存塊比申請內(nèi)存大的情況下，系統(tǒng)會把此空閑內(nèi)存塊一分為二。一塊用于滿足申請內(nèi)存的要求，一塊作為新的空閑內(nèi)存塊插入到鏈表中。

FreeRTOS的移植，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)可以被方便地移植到不同處理器上工作，現(xiàn)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(xié)議棧μIP已被移植到FreeRTOS上，具體代碼可見FreeRTOS網(wǎng)站。

FreeRTOS的不足　相對于常見的μC/OS—II操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)既有優(yōu)點(diǎn)也存在不足。其不足之處，一方面體現(xiàn)在系統(tǒng)的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實現(xiàn)，無法以后進(jìn)先出的順序向消息隊列發(fā)送消息；另一方面，F(xiàn)reeRTOS只是一個操作系統(tǒng)內(nèi)核，需外擴(kuò)第三方的GUI（圖形用戶界面）、TCP/IP協(xié)議棧、FS（文件系統(tǒng)）等才能實現(xiàn)一個較復(fù)雜的系統(tǒng)，不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等無縫結(jié)合。

在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)reeRTOS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(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。目前，F(xiàn)reeRTOS已經(jīng)發(fā)展到支持包含X86，Xilinx，Altera等多達(dá)30種的硬件平臺，其廣闊的應(yīng)用前景已經(jīng)越來越受到業(yè)內(nèi)人士的矚目。

新唐NuMaker PFM-M487 開發(fā)板支持 Mbed? 和 FreeRTOS 操作系統(tǒng)。采用NuMicro? M487以太網(wǎng)系列單片機(jī)，并以Arm? Cortex?-M4F為核心，內(nèi)置 512 KB Flash，可支持OTA （Over-The-Air） 人體升級，并內(nèi)建160 KB SRAM，包含32 KB快取 （Cache） 用于加速外部SPI Flash就地執(zhí)行 （eXecute-In-Place），是功能強(qiáng)大的IoT開發(fā)平臺。

系統(tǒng)主頻最高可達(dá)192 MHz，主控平臺配有安全、通信和設(shè)備管理模組，支持的功能包含外部 2 MB SPI Flash運(yùn)行程式碼、高速USB OTG、全速USB OTG、SD讀卡器、以太網(wǎng)連接與透過板上音訊轉(zhuǎn)碼器播放音樂檔案。NuMaker PFM-M487 可做為集點(diǎn)或是感測端節(jié)點(diǎn)，確保與管理設(shè)備安全地連接至云端伺服器，并可透過 Mbed? 伺服器軟件，將搜集到的微量資料傳送至云端，經(jīng)由大數(shù)據(jù)分析技術(shù)處理，讓開發(fā)者可快速驗證、學(xué)習(xí)以及開發(fā)應(yīng)用程式，開發(fā)板帶有簡單的輸入操作界面，讓開發(fā)者輕松完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程式。

NuMaker PFM-M487 的主控板采用通用界面設(shè)計，提供相容于 Arduino UNO 的界面，使用者可搭配任何 Arduino 模組進(jìn)行開發(fā)。除了擴(kuò)展界面外、主控板本身亦內(nèi)建豐富的周邊設(shè)備，如、三色 LED 、按鍵、麥克風(fēng)、耳機(jī)、 USB 1.1/2.0 OTG 、心率感測等完整的感測器群。類比周邊部分含有 1 個 12 位元，多達(dá) 16 通道 5 MSPS SAR ADC 、 2 個 12 位元 1 MSPS DAC ，通訊介面包含 2 個 CAN 2.0B 介面、 2 個 SD 卡控制器等，并且支持 Mbed? 和 FreeRTOS 作業(yè)系統(tǒng)。

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