FreeRTOS原理与实现

嵌入式操作系统FreeRTOS的原理与实现在嵌入式领域中，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μC／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。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。FreeRTOS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：typedefstructxLIST{//定义链表结构volatileunsignedportBASE_TYPEuxNumberOfItems;//uxNumberOfItems为链表的长度，//为0表示链表为空volatilexListItem*pxIndex;//pxIndex指向链表当前结点的指针volatilexMiniListItemxListEnd;//xListEnd为链表尾结点}xList;structxLIST_ITEM{//定义链表结点的结构portTicktypexItemValue;//xItemValue的值用于实现时间管理//portTickType为时针节拍数据类型，//可根据需要选择为16位或32位volatilestructxLIST_ITEM*pxNext;//指向链表的后一个结点volatilestructxLIST_ITEM*pxPrevious;//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}；typedefstructxLIST_ITEMxListItem;structxMINI_LIST_ITEM{portTickTypexItemValue;volatilestructxLIST_ITEM*pxNext;volatilestructxLIST_ITEM*pxPrevious;};typedefstructxMINI_LIST_ITEMxMiniListItem;FreeRTOS中每个任务对应于一个任务控制块(TCB)，其定义如下所示：typedefstructtskTaskControlBlock{volatileportSTACK_TYPE*pxTopOfStack;//指向任务堆栈结束处xListItemxGenericListItem;//用于把TCB插入就绪链表或等待链表xListItemxEventListItem;//用于把TCB插入事件链表（如消息队列）unsignedportBASE_TYPEuxPriority;//任务优先级portSTACK_TYPE*pxStack;//指向任务堆栈起始处signedportCHARpcTaskName[configMAX_TASK_NAME_LEN];//任务名称unsignedportCHARuxTCBNumber;//用于记录功能}tskTCB;FreeRTOS定义就绪任务链表数组为xListpxReadyTasksLists[configMAX_PRIORITIES]。其中configMAX_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uxNumberOfItems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=(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex→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configMAX_PRIORITIES，在某一时刻进行任务调度时，得到pxReadyTasksLists[i].uxNumberOfItems=0(i=2...configMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists[1].uxNumberOfItems=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pxIndex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，FreeRTOS通过变量uxTopReadyPriority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uxTopReadyPriority，则把这个任务的优先级赋予uxTopReadyPriority。这样当进行优先级调度时，调度算法不是从configMAX_PRIORITIES而是从uxTopReadyPriority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xTaskCreate()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uxTopReadyPriority(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.不同于μC／OS—II，FreeRTOS下任务删除分两步进行。当用户调用vTaskDelete()函数后，执行任务删除的第一步：FreeRTOS先把要删除的任务从就绪任务链表和事件等待链表中删除，然后把此任务添加到任务删除链表，若删除的任务是当前运行任务，系统就执行任务调度函数，至此完成任务删除的第一步。当系统空闲任务即prvIdleTask()函数运行时，若发现任务删除链表中有等待删除的任务，则进行任务删除的第二步，即释放该任务占用的内存空间，并把该任务从任务删除链表中删除，这样才彻底删除了这个任务。值得注意的是，在FreeRTOS中，当系统被配置为不可剥夺内核时，空闲任务还有实现各个任务切换的功能。通过比较μC／OS-II和FreeRTOS的具体代码发现，采用两步删除的策略有利于减少内核关断时间，减少任务删除函数的执行时间，尤其是当删除多个任务的时候。2.3时间管理的实现FreeRTOS提供的典型时间管理函数是vTaskDelay()，调用此函数可以实现将任务延时一段特定时间的功能。在FreeRTOS中，若一个任务要延时xTicksToDelay个时钟节拍，系统内核会把当前系统已运行的时钟节拍总数(定义为xTickCount，32位长度)加上xTicksToDelay得到任务下次唤醒时的时钟节拍数xTimeToWake。然后，内核把此任务的任务控制块从就绪链表中删除，把xTimeToWake作为结点值赋予任务的xItemValue，再根据xTimeToWake的值把任务控制块按照顺序插入不同的链表。若xTimeToWakexTickCount，即计算中没有出现溢出，内核把任务控制块插入到pxDelayedTaskList链表；若xTimeToWakexTickCount，即在计算过程中出现溢出，内核把任务控制块插入到pxOverflowDelayedTaskList链表。每发生一个时钟节拍，内核就会把当前的xTickCount加1。若xTickCount的结果为0，即发生溢出，内核会把pxOverflowDelayedTaskList作为当前链表；否则，内核把pxDelayedTaskList作为当前链表。内核依次比较xTickCount和链表各个结点的xTimeToWake。若xTickCount等于或大于xTimeToWake，说明延时时间已到，应该把任务从等待链表中删除，加入就绪链表。由此可见，不同于μC／OS—II，FreeRTOS采用“加”的方式实现时间管理。其优点是时间节拍函数的执行时间与任务数量基本无关，而μC／OS—II的OSTimeTick()的执行时间正比于应用程序中建立的任务数。因此当任务较多时，FreeRTOS采用的时间管理方式能有效加快时钟节拍中断程序的执行速度。2.4内存分配策略每当任务、队列和信号量创建的时候，FreeRTOS要求分配一定的RAM。虽然采用malloc()和free()函数可以实现申请和释放内存的功能，但这两个函数存在以下缺点：并不是在所有的嵌入式系统中都可用，要占用不定的程序空间，可重入性欠缺以及执行时间具有不可确定性。为此，除了可采用malloc()和free()函数外，FreeRTOS还提供了另外两种内存分配的策略，用户可以根据实际需要选择不同的内存分配策略。第1种方法是，按照需求内存的大小简单地把一大块内存分割为若干小块，每个小块的大小对应于所需求内存的大小。这样做的好处是比较简单，执行时间可严格确定，适用于任务和队列全部创建完毕后再进行内核调度的系统；这样做的缺点是，由于内存不能有效释放，系统运行时应用程序并不能实现删除任务或队列。