FreeRTOS

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、軟體定時器、協程等，可基本滿足較小系統的需要。

由於RTOS需佔用一定的系統資源(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，其最新版本為10.1.0版。

用戶可配置內核功能

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

堆棧溢出檢測

沒有限制的任務數量

沒有限制的任務優先順序

多個任務可以分配相同的優先權

隊列，二進位信號量，計數信號燈和遞歸通信和同步的任務

優先順序繼承

免費開源的源代碼

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。對於可剝奪型內核，優先順序高的任務一旦就緒就能剝奪優先順序較低任務的CPU使用權，提高了系統的實時響應能力。不同於μC/OS-II，FreeRTOS對系統任務的數量沒有限制，既支持優先順序調度演演算法也支持輪換調度演演算法，因此FreeRTOS採用雙向鏈表而不是採用查任務就緒表的方法來進行任務調度。系統定義的鏈表和鏈表節點數據結構如下所示：

//定義鏈表結構

typedef struct xLIST{

unsigned portSHORPT usNumberOfItems; //usNumberOfItems為鏈表的長度，為0表示鏈表為空

volatile xListItem * pxHead; //pxHead為鏈表的頭指針

volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向鏈表當前結點的指針

volatile xListItem xListEnd; //xListEnd為鏈表尾結點

}xList;

//定義鏈表結點的結構

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; //指向鏈表的前一個結點

void * pvOwner; //指向此鏈表結點所在的任務控制塊

void * pvContainer; //指向此鏈表結點所在的鏈表

};

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; //指向任務堆棧結束處

portSTACK_TYPE * pxStack; //指向任務堆棧起始處

unsigned portSHORT usStackDepth; //定義堆棧深度

signed portCHAR pcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN]; //任務名稱

unsigned portCHAR ucPriority; //任務優先順序

xListItem xGenericListItem; //用於把TCB插入就緒鏈表或等待鏈表

xListItem xEventListItem; //用於把TCB插入事件鏈表（如消息隊列）

unsigned portCHAR ucTCBNumber; //用於記錄功能

}tskTCB;

FreeRTOS定義就緒任務鏈表數組為xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES為系統定義的最大優先順序。若想使優先順序為n的任務進入就緒態，需要把此任務對應的TCB中的結點xGenericListltem插入到鏈表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，調度演演算法首先實現優先順序調度。系統按照優先順序從高到低的順序從就緒任務鏈表數組中尋找usNumberOfItems第一個不為0的優先順序，此優先順序即為當前最高就緒優先順序，據此實現優先順序調度。若此優先順序下只有一個就緒任務，則此就緒任務進入運行態；若此優先順序下有多個就緒任務，則需採用輪換調度演演算法實現多任務輪流執行。

若在優先順序n下執行輪換調度演演算法，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，相同優先順序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。由此內核可知當前最高就緒優先順序為l，且此優先順序下已有三個任務已進入就緒態．由於最高就緒優先順序下有多個就緒任務，系統需執行輪換調度

演演算法實現任務切換；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，若最高就緒優先順序仍為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順序。當把一個任務加入就緒鏈表時，如果此任務的優先順序高於ucTopReadyPriority，則把這個任務的優先順序賦予ucTopReadyPriority。這樣當進行優先順序調度時，調度演演算法不是從portMAX_PRIORITIES而是從ucTopReady-Priority開始搜索。這就加快了搜索的速度，同時縮短了內核關斷時間。

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、設定任務優先順序、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順序，然後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順序為最高，則把此優先順序賦值給變數ucTopReadyPriorlty(其作用見2.1節)。若任務調度程序已經運行且當前創建的任務優先順序為最高，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，然後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，即釋放該任務佔用的內存空間，並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，採用兩步刪除的策略有利於減少內核關斷時間，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。

2.3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。然後，內核把此任務的任務控制塊從就緒鏈表中刪除，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等於或大於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()的執行時間正比於應用程序中建立的任務數。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序的執行速度。

2.4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。雖然採用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：並不是在所有的嵌入式系統中都可用，要佔用不定的程序空間，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於所需求內存的大小。這樣做的好處是比較簡單，執行時間可嚴格確定，適用於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，由於內存不能有效釋放，系統運行時應用程序並不能實現刪除任務或隊列。

第2種方法是，採用鏈表分配內存，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。一塊用於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。

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，系統首先初始化空閑內存塊鏈表，把8KB RAM全部作為一個空閑內存塊。當應用程序分別申請1KB和2KB內存后，空閑內存塊的大小變為5KB3。2KB的內存使用完畢后，系統需要把2KB插入到現有的空閑內存塊鏈表。由於2 KB<5KB，所以把這2 KB插入5KB的內存塊之前。若應用程序又需要申請3 KB的內存，而在空閑內存塊鏈表中能滿足申請內存要求的最小空閑內存塊為5KB，因此把5KB內存拆分為2部分，3KB部分用於滿足申請內存的需要，2KB部分作為新的空閑內存塊插入鏈表。隨後1KB的內存使用完畢需要釋放，系統會按順序把1KB內存插入到空閑內存鏈表中。

方法2的優點是，能根據任務需要高效率地使用內存，尤其是當不同的任務需要不同大小的內存的時候。方法二的缺點是，不能把應用程序釋放的內存和原有的空閑內存混合為一體，因此，若應用程序頻繁申請與釋放“隨機”大小的內存，就可能造成大量的內存碎片。這就要求應用程序申請與釋放內存的大小為“有限個”固定的值(如圖2中申請與釋放內存的大小固定為l KB、2 KB或3 KB)。方法2的另一個缺點是，程序執行時間具有一定的不確定性。

μC/OS—II提供的內存管理機制是把連續的大塊內存按分區來管理，每個分區中包含整數個大小相同的內存塊。由於每個分區的大小相同，即使頻繁地申請和釋放內存也不會產生內存碎片問題，但其缺點是內存的利用率相對不高。當申請和釋放的內存大小均為一個固定值時(如均為2 KB)，FreeRTOS的方法2內存分配策略就可以實現類似μC/OS—Ⅱ的內存管理效果。

2.5FreeRTOS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於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。

2.6FreeRTOS的不足　相對於常見的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，無法以後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。

作為一個輕量級的操作系統，FreeRTOS提供的功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統的需要。FreeRTOS內核支持優先順序調度演演算法，每個任務可根據重要程度的不同被賦予一定的優先順序，CPU總是讓處於就緒態的、優先順序最高的任務先運行。FreeRTOS內核同時支持輪換調度演演算法，系統允許不同的任務使用相同的優先順序，在沒有更高優先順序任務就緒的情況下，同一優先順序的任務共享CPU的使用時間。

FreeRTOS的內核可根據用戶需要設置為可剝奪型內核或不可剝奪型內核。當FreeRTOS被設置為可剝奪型內核時，處於就緒態的高優先順序任務能剝奪低優先順序任務的CPU使用權，這樣可保證系統滿足實時性的要求；當FreeRTOS被設置為不可剝奪型內核時，處於就緒態的高優先順序任務只有等當前運行任務主動釋放CPU的使用權后才能獲得運行，這樣可提高CPU的運行效率。

在嵌入式領域，FreeRTOS是不多的同時具有實行性，開源性，可靠性，易用性，多平台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種的硬體平台，其廣闊的應用前景已經越來越受到業內人士的矚目。

FreeRTOS V8.2.1 2015年3月.24日新增對MSP432的支持。