在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（rtos）可以更合理、更有效地利用cpu的資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小ram單片機(jī)上運(yùn)行。相對(duì)于c/os-ii、embos等商業(yè)操作系統(tǒng)，freertos操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開(kāi)、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，其最新版本為2.6版。

1 freertos操作系統(tǒng)功能

作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，freertos提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。freertos內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí)，cpu總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。freert0s內(nèi)核同時(shí)支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級(jí)，在沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享cpu的使用時(shí)間。

freertos的內(nèi)核可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。當(dāng)freertos被設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的cpu使用權(quán)，這樣可保證系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性的要求；當(dāng)freertos被設(shè)置為不可剝奪型內(nèi)核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)只有等當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)主動(dòng)釋放cpu的使用權(quán)后才能獲得運(yùn)行，這樣可提高cpu的運(yùn)行效率。

2 freertos操作系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)

2. 1任務(wù)調(diào)度機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

任務(wù)調(diào)度機(jī)制是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)重要概念，也是其核心技術(shù)。對(duì)于可剝奪型內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級(jí)較低任務(wù)的cpu使用權(quán)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。不同于μc/os-ii，freertos對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的數(shù)量沒(méi)有限制，既支持優(yōu)先級(jí)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(lái)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)定義的鏈表和鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef struct xlist｛ //定義鏈表結(jié)構(gòu)
unsigned portshorpt usnumberofitems;

//usnumberofitems為鏈表的長(zhǎng)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(dāng)前結(jié)點(diǎn)的指針

volatile xlistitem xlistend; //xlistend為鏈表尾結(jié)點(diǎn)

｝xlist;

struct xlist_item ｛ //定義鏈表結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

port tick type xitem value;

//xitem value的值用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理

//port tick type為時(shí)針節(jié)拍數(shù)據(jù)類型，

//可根據(jù)需要選擇為16位或32位

volatile struct xlist_item ＊ pxnext;

//指向鏈表的前一個(gè)結(jié)點(diǎn)

void ＊ pvowner;//指向此鏈表結(jié)點(diǎn)所在的任務(wù)控制塊

void ＊ pvcontainer;//指向此鏈表結(jié)點(diǎn)所在的鏈表｝；

freertos中每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)任務(wù)控制塊（tcb），其定義如下所示：

typedef struct tsktaskcontrolblock ｛

portstack_type ＊ pxtopofstack;

//指向任務(wù)堆棧結(jié)束處

portstack_type ＊ pxstack;

//指向任務(wù)堆棧起始處

unsigned portshort usstackdepth; //定義堆棧深度

signed portchar pctaskname[tskmax_task_name_len];//任務(wù)名稱

unsigned portchar ucpriority; //任務(wù)優(yōu)先級(jí)

xlistitem xgenericlistitem;

//用于把tcb插入就緒鏈表或等待鏈表

xlistitem xeventlistitem;

//用于把tcb插入事件鏈表（如消息隊(duì)列）

unsigned portchar uctcbnumber; //用于記錄功能

｝tsktcb;

freertos定義就緒任務(wù)鏈表數(shù)組為xlist pxready—taskslists[portmax_priorities]。其中portmax_priorities為系統(tǒng)定義的最大優(yōu)先級(jí)。若想使優(yōu)先級(jí)為n的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，需要把此任務(wù)對(duì)應(yīng)的tcb中的結(jié)點(diǎn)xgenericlistltem插入到鏈表pxreadytaskslists[n]中，還要把xgenericlistitem中的pvcontainer指向pxreadytaskslists[n]方可實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，調(diào)度算法首先實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級(jí)從高到低的順序從就緒任務(wù)鏈表數(shù)組中尋找usnumberofitems第一個(gè)不為0的優(yōu)先級(jí)，此優(yōu)先級(jí)即為當(dāng)前最高就緒優(yōu)先級(jí)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)調(diào)度。若此優(yōu)先級(jí)下只有一個(gè)就緒任務(wù)，則此就緒任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)；若此優(yōu)先級(jí)下有多個(gè)就緒任務(wù)，則需采用輪換調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)輪流執(zhí)行。

若在優(yōu)先級(jí)n下執(zhí)行輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)先通過(guò)執(zhí)行（pxreadytaskslists[n]）→pxindex=（pxreadytasks-lists[n]）→pxlndex→pxnext語(yǔ)句得到當(dāng)前結(jié)點(diǎn)所指向的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)，再通過(guò)此結(jié)點(diǎn)的pvowner指針得到對(duì)應(yīng)的任務(wù)控制塊，最后使此任務(wù)控制塊對(duì)應(yīng)的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。由此可見(jiàn)，在freertos中，相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)之間的切換時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍周期。

以圖l為例，設(shè)系統(tǒng)的最大任務(wù)數(shù)為pottmax_priorities，在某一時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，得到pxreadytaskslists[i]．usnumberofitems=o（i=2...portmax_priorities）以及pxreadytaskslists[1]。usnumberofitems=3。由此內(nèi)核可知當(dāng)前最高就緒優(yōu)先級(jí)為l，且此優(yōu)先級(jí)下已有三個(gè)任務(wù)已進(jìn)入就緒態(tài)．由于最高就緒優(yōu)先級(jí)下有多個(gè)就緒任務(wù)，系統(tǒng)需執(zhí)行輪換調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換；通過(guò)指針pxlndex可知任務(wù)l為當(dāng)前任務(wù)，而任務(wù)l的pxnext結(jié)點(diǎn)指向任務(wù)2，因此系統(tǒng)把pxindex指向任務(wù)2并執(zhí)行任務(wù)2來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍到來(lái)時(shí)，若最高就緒優(yōu)先級(jí)仍為1，由圖l可見(jiàn)，系統(tǒng)會(huì)把pxindex指向任務(wù)3并執(zhí)行任務(wù)3。

為了加快任務(wù)調(diào)度的速度，frecrtos通過(guò)變量uctopreadypriotity跟蹤當(dāng)前就緒的最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)把一個(gè)任務(wù)加入就緒鏈表時(shí)，如果此任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于uctopreadypriority，則把這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)賦予uctopreadypriority。這樣當(dāng)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)度時(shí)，調(diào)度算法不是從portmax_priorities而是從uctopready-priority開(kāi)始搜索。這就加快了搜索的速度，同時(shí)縮短了內(nèi)核關(guān)斷時(shí)間。

2.2 任務(wù)管理的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的有效管理是操作系統(tǒng)的主要功能。freertos下可實(shí)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(jí)、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(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)用staskcreate（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的任務(wù)時(shí)，freertos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(jí)，然后根據(jù)堆棧的增長(zhǎng)方向初始化任務(wù)控制塊的堆棧。接著，freertos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(jí)為最高，則把此優(yōu)先級(jí)賦值給變量uctopreadypriorlty（其作用見(jiàn)2.1節(jié)）。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(jí)為最高，則進(jìn)行任務(wù)切換.

不同于μc/os—ii，freertos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?jiǎng)h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(shí)，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(gè)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(shí)，空閑任務(wù)還有實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)切換的功能。

通過(guò)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(shí)間，減少任務(wù)刪除函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間，尤其是當(dāng)刪除多個(gè)任務(wù)的時(shí)候。

2.3 時(shí)間管理的實(shí)現(xiàn)

freertos提供的典型時(shí)間管理函數(shù)是vtaskdelay（），調(diào)用此函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)將任務(wù)延時(shí)一段特定時(shí)間的功能。在freert0s中，若一個(gè)任務(wù)要延時(shí)xtickstodelay個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)把當(dāng)前系統(tǒng)已運(yùn)行的時(shí)鐘節(jié)拍總數(shù)（定義為xtickcount，32位長(zhǎng)度）加上x(chóng)tickstodelay得到任務(wù)下次喚醒時(shí)的時(shí)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(jì)算中沒(méi)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(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，內(nèi)核就會(huì)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(huì)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(gè)結(jié)點(diǎn)的xtimctowake。若xtick-count等于或大于xtimetowake，說(shuō)明延時(shí)時(shí)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(jiàn)，不同于μc/os—ii，freertos采用“加”的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理。其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間節(jié)拍函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間與任務(wù)數(shù)量基本無(wú)關(guān)，而μc/os—ii的ostimctick（）的執(zhí)行時(shí)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(shí)，freertos采用的時(shí)間管理方式能有效加快時(shí)鐘節(jié)拍中斷程序的執(zhí)行速度。

2.4 內(nèi)存分配策略

每當(dāng)任務(wù)、隊(duì)列和信號(hào)量創(chuàng)建的時(shí)候，freertos要求分配一定的ram。雖然采用malloc（）和free（）函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)申請(qǐng)和釋放內(nèi)存的功能，但這兩個(gè)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，可重人性欠缺以及執(zhí)行時(shí)間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc（）和free（）函數(shù)外，freertos還提供了另外兩種內(nèi)存分配的策略，用戶可以根據(jù)實(shí)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(jiǎn)單地把一大塊內(nèi)存分割為若干小塊，每個(gè)小塊的大小對(duì)應(yīng)于所需求內(nèi)存的大小。這樣做的好處是比較簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間可嚴(yán)格確定，適用于任務(wù)和隊(duì)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(shí)應(yīng)用程序并不能實(shí)現(xiàn)刪除任務(wù)或隊(duì)列。

第2種方法是，采用鏈表分配內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務(wù)或隊(duì)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(qǐng)一塊內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)申請(qǐng)內(nèi)存的大小按順序搜索空閑內(nèi)存鏈表，找到滿足申請(qǐng)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(qǐng)內(nèi)存大的情況下，系統(tǒng)會(huì)把此空閑內(nèi)存塊一分為二。一塊用于滿足申請(qǐng)內(nèi)存的要求，一塊作為新的空閑內(nèi)存塊插入到鏈表中。

下面以圖2為例介紹方法2的實(shí)現(xiàn)。假定用于動(dòng)態(tài)分配的ram共有8kb，系統(tǒng)首先初始化空閑內(nèi)存塊鏈表，把8kb ram全部作為一個(gè)空閑內(nèi)存塊。當(dāng)應(yīng)用程序分別申請(qǐng)1kb和2kb內(nèi)存后，空閑內(nèi)存塊的大小變?yōu)?kb3。2kb的內(nèi)存使用完畢后，系統(tǒng)需要把2kb插入到現(xiàn)有的空閑內(nèi)存塊鏈表。由于2 kb<5kb，所以把這2 kb插入5kb的內(nèi)存塊之前。若應(yīng)用程序又需要申請(qǐng)3 kb的內(nèi)存，而在空閑內(nèi)存塊鏈表中能滿足申請(qǐng)內(nèi)存要求的最小空閑內(nèi)存塊為5kb，因此把5kb內(nèi)存拆分為2部分，3kb部分用于滿足申請(qǐng)內(nèi)存的需要，2kb部分作為新的空閑內(nèi)存塊插入鏈表。隨后1kb的內(nèi)存使用完畢需要釋放，系統(tǒng)會(huì)按順序把1kb內(nèi)存插入到空閑內(nèi)存鏈表中。

方法2的優(yōu)點(diǎn)是，能根據(jù)任務(wù)需要高效率地使用內(nèi)存，尤其是當(dāng)不同的任務(wù)需要不同大小的內(nèi)存的時(shí)候。方法二的缺點(diǎn)是，不能把應(yīng)用程序釋放的內(nèi)存和原有的空閑內(nèi)存混合為一體，因此，若應(yīng)用程序頻繁申請(qǐng)與釋放“隨機(jī)”大小的內(nèi)存，就可能造成大量的內(nèi)存碎片。這就要求應(yīng)用程序申請(qǐng)與釋放內(nèi)存的大小為“有限個(gè)”固定的值（如圖2中申請(qǐng)與釋放內(nèi)存的大小固定為l kb、2 kb或3 kb）。方法2的另一個(gè)缺點(diǎn)是，程序執(zhí)行時(shí)間具有一定的不確定性。

μc/os—ii提供的內(nèi)存管理機(jī)制是把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來(lái)管理，每個(gè)分區(qū)中包含整數(shù)個(gè)大小相同的內(nèi)存塊。由于每個(gè)分區(qū)的大小相同，即使頻繁地申請(qǐng)和釋放內(nèi)存也不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片問(wèn)題，但其缺點(diǎn)是內(nèi)存的利用率相對(duì)不高。當(dāng)申請(qǐng)和釋放的內(nèi)存大小均為一個(gè)固定值時(shí)（如均為2 kb），freertos的方法2內(nèi)存分配策略就可以實(shí)現(xiàn)類似μc／os—ⅱ的內(nèi)存管理效果。

2.5 freertos的移植

freertos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。frcertos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(jiàn)freertos網(wǎng)站。

2.6 freertos的不足

相對(duì)于常見(jiàn)的μc/os—ii操作系統(tǒng)，freertos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(duì)列和信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)，無(wú)法以后進(jìn)先出的順序向消息隊(duì)列發(fā)送消息；另一方面，freertos只是一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，需外擴(kuò)第三方的gui（圖形用戶界面）、tcp/p協(xié)議棧、fs（文件系統(tǒng)）等才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(wú)縫結(jié)合。

3 結(jié) 論

作為一個(gè)源碼公開(kāi)的操作系統(tǒng)，學(xué)習(xí)freertos可以更好地掌握嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理；作為一個(gè)免費(fèi)的操作系統(tǒng)，采用freertos可在基本滿足較小系統(tǒng)需要的情況下降低系統(tǒng)成本、簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)難度。在實(shí)踐中，采用freertos操作系統(tǒng)和msp430單片機(jī)構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。相信隨著時(shí)間的發(fā)展，freertos會(huì)不斷完善其功能，以更好地滿足人們對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性、易用性的要求。