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在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統正得到越來(lái)越廣泛的應用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡(jiǎn)化應用軟件的設計，縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，更好地保證系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系統資源(尤其是RAM資源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數實(shí)時(shí)操作系統能在小RAM單片機上運行。相對于C／OS-II、embOS等商業(yè)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(kāi)、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機上運行，其最新版本為2.6版。 1 FreeRTOS操作系統功能 作為一個(gè)輕量級的操作系統，FreeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，可基本滿(mǎn)足較小系統的需要。FreeRTOS內核支持優(yōu)先級調度算法，每個(gè)任務(wù)可根據重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。FreeRT0S內核同時(shí)支持輪換調度算法，系統允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級，在沒(méi)有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)間。 FreeRTOS的內核可根據用戶(hù)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(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權，這樣可保證系統滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求；當FreeRTOS被設置為不可剝奪型內核時(shí)，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務(wù)只有等當前運行任務(wù)主動(dòng)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。 2 FreeRTOS操作系統的原理與實(shí)現 2. 1任務(wù)調度機制的實(shí)現 任務(wù)調度機制是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的一個(gè)重要概念，也是其核心技術(shù)。對于可剝奪型內核，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，提高了系統的實(shí)時(shí)響應能力。不同于μC／OS-II，FreeRTOS對系統任務(wù)的數量沒(méi)有限制，既支持優(yōu)先級調度算法也支持輪換調度算法，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)調度。系統定義的鏈表和鏈表節點(diǎn)數據結構如下所示： FreeRTOS定義就緒任務(wù)鏈表數組為xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES為系統定義的最大優(yōu)先級。若想使優(yōu)先級為n的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，需要把此任務(wù)對應的TCB中的結點(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。 當進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)，調度算法首先實(shí)現優(yōu)先級調度。系統按照優(yōu)先級從高到低的順序從就緒任務(wù)鏈表數組中尋找usNumberOfItems第一個(gè)不為0的優(yōu)先級，此優(yōu)先級即為當前最高就緒優(yōu)先級，據此實(shí)現優(yōu)先級調度。若此優(yōu)先級下只有一個(gè)就緒任務(wù)，則此就緒任務(wù)進(jìn)入運行態(tài)；若此優(yōu)先級下有多個(gè)就緒任務(wù)，則需采用輪換調度算法實(shí)現多任務(wù)輪流執行。 若在優(yōu)先級n下執行輪換調度算法，系統先通過(guò)執行(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex=( pxReadyTasks-Lists[n ]) → pxlndex→pxNext語(yǔ)句得到當前結點(diǎn)所指向的下一個(gè)結點(diǎn)，再通過(guò)此結點(diǎn)的pvOwner指針得到對應的任務(wù)控制塊，最后使此任務(wù)控制塊對應的任務(wù)進(jìn)入運行態(tài)。由此可見(jiàn)，在FreeRTOS中，相同優(yōu)先級任務(wù)之間的切換時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘節拍周期。 以圖1為例，設系統的最大任務(wù)數為pottMAX_PRIORITIES，在某一時(shí)刻進(jìn)行任務(wù)調度時(shí)，得到pxReadyTasksLists[ i]．usNumberOfItems=O(i=2...portMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists。usNumberOfItems=3。由此內核可知當前最高就緒優(yōu)先級為l，且此優(yōu)先級下已有三個(gè)任務(wù)已進(jìn)入就緒態(tài)．由于最高就緒優(yōu)先級下有多個(gè)就緒任務(wù)，系統需執行輪換調度算法實(shí)現任務(wù)切換；通過(guò)指針pxlndex可知任務(wù)l(shuí)為當前任務(wù)，而任務(wù)l(shuí)的pxNext結點(diǎn)指向任務(wù)2，因此系統把pxIndex指向任務(wù)2并執行任務(wù)2來(lái)實(shí)現任務(wù)調度。當下一個(gè)時(shí)鐘節拍到來(lái)時(shí)，若最高就緒優(yōu)先級仍為1，由圖可見(jiàn)，系統會(huì )把pxIndex指向任務(wù)3并執行任務(wù)3。 為了加快任務(wù)調度的速度，FrecRTOS通過(guò)變量ucTopReadyPriotity跟蹤當前就緒的最高優(yōu)先級。當把一個(gè)任務(wù)加入就緒鏈表時(shí)，如果此任務(wù)的優(yōu)先級高于ucTopReadyPriority，則把這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級賦予ucTopReadyPriority。這樣當進(jìn)行優(yōu)先級調度時(shí)，調度算法不是從portMAX_PRIORIT IES而是從ucTopReady-Priority開(kāi)始搜索。這就加快了搜索的速度，同時(shí)縮短了內核關(guān)斷時(shí)間。 2.2 任務(wù)管理的實(shí)現 實(shí)現多個(gè)任務(wù)的有效管理是操作系統的主要功能。FreeRTOS下可實(shí)現創(chuàng )建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、恢復任務(wù)、設定任務(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(shí)現。當調用sTaskCreate()函數創(chuàng )建一個(gè)新的任務(wù)時(shí)，FreeRTOS首先為新任務(wù)分配所需的內存。若內存分配成功，則初始化任務(wù)控制塊的任務(wù)名稱(chēng)、堆棧深度和任務(wù)優(yōu)先級，然后根據堆棧的增長(cháng)方向初始化任務(wù)控制塊的堆棧。接著(zhù)，FreeRTOS把當前創(chuàng )建的任務(wù)加入到就緒任務(wù)鏈表。若當前此任務(wù)的優(yōu)先級為最高，則把此優(yōu)先級賦值給變量ucTopReadyPriorlty(其作用見(jiàn)2.1節)。若任務(wù)調度程序已經(jīng)運行且當前創(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，FreeRTOS下任務(wù)刪除分兩步進(jìn)行。當用戶(hù)調用vTaskDelete()函數后，執行任務(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)是當前運行任務(wù)，系統就執行任務(wù)調度函數，至此完成任務(wù)刪除的第一步。當系統空閑任務(wù)即prvldleTask()函數運行時(shí)，若發(fā)現任務(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，當系統被配置為不可剝奪內核時(shí)，空閑任務(wù)還有實(shí)現各個(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，采用兩步刪除的策略有利于減少內核關(guān)斷時(shí)間，減少任務(wù)刪除函數的執行時(shí)間，尤其是當刪除多個(gè)任務(wù)的時(shí)候。 2.3 時(shí)間管理的實(shí)現 FreeRTOS提供的典型時(shí)間管理函數是vTaskDelay()，調用此函數可以實(shí)現將任務(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)鐘節拍，系統內核會(huì )把當前系統已運行的時(shí)鐘節拍總數(定義為xTickCount，32位長(cháng)度)加上x(chóng)TicksToDelay得到任務(wù)下次喚醒時(shí)的時(shí)鐘節拍數xTimeToWake。然后，內核把此任務(wù)的任務(wù)控制塊從就緒鏈表中刪除，把xTimeToWake作為結點(diǎn)值賦予任務(wù)的xItemValue，再根據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(méi)有出現溢出，內核把任務(wù)控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表；若xTimeToWak e＜ xTickCount，即在計算過(guò)程中出現溢出，內核把任務(wù)控制塊插入到pxOverflowDelayed-Taskust鏈表。 每發(fā)生一個(gè)時(shí)鐘節拍，內核就會(huì )把當前的xTick-Count加1。若xTickCount的結果為0，即發(fā)生溢出，內核會(huì )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(gè)結點(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)現時(shí)間管理。其優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間節拍函數的執行時(shí)間與任務(wù)數量基本無(wú)關(guān)，而μC／OS—II的OSTimcTick()的執行時(shí)間正比于應用程序中建立的任務(wù)數。因此當任務(wù)較多時(shí)，FreeRTOS采用的時(shí)間管理方式能有效加快時(shí)鐘節拍中斷程序的執行速度。 2.4 內存分配策略 每當任務(wù)、隊列和信號量創(chuàng )建的時(shí)候，FreeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc()和free()函數可以實(shí)現申請和釋放內存的功能，但這兩個(gè)函數存在以下缺點(diǎn)：并不是在所有的嵌入式系統中都可用，要占用不定的程序空間，可重人性欠缺以及執行時(shí)間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc()和free()函數外，FreeRTOS還提供了另外兩種內存分配的策略，用戶(hù)可以根據實(shí)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(jiǎn)單地把一大塊內存分割為若干小塊，每個(gè)小塊的大小對應于所需求內存的大小。這樣做的好處是比較簡(jiǎn)單，執行時(shí)間可嚴格確定，適用于任務(wù)和隊列全部創(chuàng )建完畢后再進(jìn)行內核調度的系統；這樣做的缺點(diǎn)是，由于內存不能有效釋放，系統運行時(shí)應用程序并不能實(shí)現刪除任務(wù)或隊列。 第2種方法是，采用鏈表分配內存，可實(shí)現動(dòng)態(tài)的創(chuàng )建、刪除任務(wù)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(shí)，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(mǎn)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(huì )把此空閑內存塊一分為二。一塊用于滿(mǎn)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(shí)現。假定用于動(dòng)態(tài)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(gè)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?yōu)?KB3。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。由于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(mǎn)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部分用于滿(mǎn)足申請內存的需要，2KB部分作為新的空閑內存塊插入鏈表。隨后1KB的內存使用完畢需要釋放，系統會(huì )按順序把1KB內存插入到空閑內存鏈表中。 方法2的優(yōu)點(diǎn)是，能根據任務(wù)需要高效率地使用內存，尤其是當不同的任務(wù)需要不同大小的內存的時(shí)候。方法二的缺點(diǎn)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(gè)”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(gè)缺點(diǎn)是，程序執行時(shí)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(lái)管理，每個(gè)分區中包含整數個(gè)大小相同的內存塊。由于每個(gè)分區的大小相同，即使頻繁地申請和釋放內存也不會(huì )產(chǎn)生內存碎片問(wèn)題，但其缺點(diǎn)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(gè)固定值時(shí)(如均為2 KB)，FreeRTOS的方法2內存分配策略就可以實(shí)現類(lèi)似μC／OS—Ⅱ的內存管理效果。 2.5 FreeRTOS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。FrceRTOS在不同處理器上的移植類(lèi)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 相對于常見(jiàn)的μC／OS—II操作系統，FreeRTOS操作系統既有優(yōu)點(diǎn)也存在不足。其不足之處，一方面體現在系統的服務(wù)功能上，如FreeRTOS只提供了消息隊列和信號量的實(shí)現，無(wú)法以后進(jìn)先出的順序向消息隊列發(fā)送消息；另一方面，FreeRTOS只是一個(gè)操作系統內核，需外擴第三方的GUI(圖形用戶(hù)界面)、TCP／IP協(xié)議棧、FS(文件系統)等才能實(shí)現一個(gè)較復雜的系統，不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無(wú)縫結合。 3 結 論 作為一個(gè)源碼公開(kāi)的操作系統，學(xué)習FreeRTOS可以更好地掌握嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的實(shí)現原理；作為一個(gè)免費的操作系統，采用FreeRTOS可在基本滿(mǎn)足較小系統需要的情況下降低系統成本、簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)難度。在實(shí)踐中，采用FreeRTOS操作系統和MSP430單片機構成的溫度控制系統穩定可靠，實(shí)現了較好的控制效果。相信隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展，FreeRTOS會(huì )不斷完善其功能，以更好地滿(mǎn)足人們對嵌入式操作系統實(shí)時(shí)性、可靠性、易用性的要求。 |
