FreeRTOS是一個源碼公開的免費的嵌入式實時操作系統，通過研究其內核可以更好地理解嵌入式操作系統的實現原理.本文主要闡述FreeRTOS系統中的任務調度機制、時間管理機制、任務管理機制以及內存分配策略的實現原理，并指出FreeRTOS在應用中的優缺點。

在嵌入式領域中，嵌入式實時操作系統正得到越來越廣泛的應用。采用嵌入式實時操作系統(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應用軟件的設計，縮短系統開發時間，更好地保證系統的實時性和可靠性。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等少數實時操作系統能在小RAM單片機上運行。相對于C／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。

實時操作系統與非實時操作系統的區別

他們之間的區別，詳見下圖：

在上面的圖中右邊的任務優先級高于左邊的任務，先看實時操作系統的，當優先級更高的任務2就緒的時候，即便任務1正在運行中，也必須立刻交出CPU的使用權，就跟中斷一樣，先執行任務2，等任務2執行完或者主動掛起(sleep)讓出CPU的時候，任務1才能接著運行。

uCOS就是這樣的實時操作系統，它是可搶占性的內核。我曾跟很多同事爭辯過uCOS高優先級任務就緒而低優先級任務正在執行沒有sleep的時候，高優先級任務能否打斷低優先級任務而立即得到執行，遺憾的是很多人仍然堅持必須要sleep才能切換任務，每次我都只能無奈的用實驗來證明這個本來不應該爭辯的東西。

再看看我們的Linux/Windows/OSX這些基于時間片輪轉的操作系統遇到這種問題的時候會怎么樣呢，毫無疑問它們都是非實時的操作系統，CPU是不可搶占的，從上圖可以看到，即便高優先級的任務就緒了，也不能馬上中斷低優先級任務而得到執行，必須要等到低優先級任務主動掛起(sleep)或者時間片結束才能得到執行。所以我們在使用PC的時候經常會遇到應用程序無響應的問題。即硬件資源被其他任務占用，本任務得不到立即執行。

我們平常娛樂辦公用的都是非實時的操作系統，那么什么時候該使用實時操作系統呢？試想一下，一個射出的導彈如果要執行一個調整姿態的任務，這個時候剛好有其他無關緊要的任務在執行，如果是非實時操作系統，那么可能會等一會兒然后彈個窗告訴你應用程序無響應（如果它有窗可彈的話），那完了等彈窗出來導彈都射到外太空去了！毫無疑問這種高優先級任務片刻都不能等的設備就必須上實時操作系統，如果你不想你的導彈射到外太空去的話。

1、FreeRTOS操作系統功能

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內核支持優先級調度算法，每個任務可根據重要程度的不同被賦予一定的優先級，CPU總是讓處于就緒態的、優先級最高的任務先運行。FreeRT0S內核同時支持輪換調度算法，系統允許不同的任務使用相同的優先級，在沒有更高優先級任務就緒的情況下，同一優先級的任務共享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，處于就緒態的高優先級任務能剝奪低優先級任務的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，處于就緒態的高優先級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。

2、FreeRTOS操作系統的原理與實現

2.1任務調度機制的實現

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。對于可剝奪型內核，優先級高的任務一旦就緒就能剝奪優先級較低任務的CPU使用權，提高了系統的實時響應能力。不同于μC／OS-II，FreeRTOS對系統任務的數量沒有限制，既支持優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：

typedefstructxLIST{//定義鏈表結構

unsignedportSHORPTusNumberOfItems;

//usNumberOfItems為鏈表的長度，為0表示鏈表為空

volatilexListItem*pxHead;//pxHead為鏈表的頭指針

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

volatilexListItemxListEnd;//xListEnd為鏈表尾結點

}xList;

structxLIST_ITEM{//定義鏈表結點的結構

portTicktypexItemValue;

//xItemValue的值用于實現時間管理

//portTickType為時針節拍數據類型，

//可根據需要選擇為16位或32位

volatilestructxLIST_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中每個任務對應于一個任務控制塊(TCB)，其定義如下所示：

typedefstructtskTaskControlBlock{

portSTACK_TYPE*pxTopOfStack;

//指向任務堆棧結束處

portSTACK_TYPE*pxStack;

//指向任務堆棧起始處

unsignedportSHORTusStackDepth;//定義堆棧深度

signedportCHARpcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN];//任務名稱

unsignedportCHARucPriority;//任務優先級

xListItemxGenericListItem;

//用于把TCB插入就緒鏈表或等待鏈表

xListItemxEventListItem;

//用于把TCB插入事件鏈表（如消息隊列）

unsignedportCHARucTCBNumber;//用于記錄功能

}tskTCB;

復制代碼

FreeRTOS定義就緒任務鏈表數組為xListpxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES為系統定義的最大優先級。若想使優先級為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，調度算法首先實現優先級調度。系統按照優先級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的優先級，此優先級即為當前最高就緒優先級，據此實現優先級調度。若此優先級下只有一個就緒任務，則此就緒任務進入運行態；若此優先級下有多個就緒任務，則需采用輪換調度算法實現多任務輪流執行。

若在優先級n下執行輪換調度算法，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，最后使此任務控制塊對應的任務進入運行態。由此可見，在FreeRTOS中，相同優先級任務之間的切換時間為一個時鐘節拍周期。

以圖1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級為l，且此優先級下已有三個任務已進入就緒態．由于最高就緒優先級下有多個就緒任務，系統需執行輪換調度算法實現任務切換；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并執行任務2來實現任務調度。當下一個時鐘節拍到來時，若最高就緒優先級仍為1，由圖可見，系統會把pxIndex指向任務3并執行任務3。

為了加快任務調度的速度，FrecRTOS通過變量ucTopReadyPriotity跟蹤當前就緒的最高優先級。當把一個任務加入就緒鏈表時，如果此任務的優先級高于ucTopReadyPriority，則把這個任務的優先級賦予ucTopReadyPriority。這樣當進行優先級調度時，調度算法不是從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。

為了加快任務調度的速度，FrecRTOS通過變量ucTopReadyPriotity跟蹤當前就緒的最高優先級。當把一個任務加入就緒鏈表時，如果此任務的優先級高于ucTopReadyPriority，則把這個任務的優先級賦予ucTopReadyPriority。這樣當進行優先級調度時，調度算法不是從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、設定任務優先級、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級，然后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級為最高，則把此優先級賦值給變量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級為最高，則進行任務切換。

不同于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，然后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，即釋放該任務占用的內存空間，并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，采用兩步刪除的策略有利于減少內核關斷時間，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。然后，內核把此任務的任務控制塊從就緒鏈表中刪除，把xTimeToWake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等于或大于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，不同于μC／OS—II，FreeRTOS采用“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()的執行時間正比于應用程序中建立的任務數。因此當任務較多時，FreeRTOS采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。雖然采用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：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于所需求內存的大小。這樣做的好處是比較簡單，執行時間可嚴格確定，適用于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，由于內存不能有效釋放，系統運行時應用程序并不能實現刪除任務或隊列。

第2種方法是，采用鏈表分配內存，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。一塊用于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。假定用于動態分配的RAM共有8KB，系統首先初始化空閑內存塊鏈表，把8KBRAM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。由于2KB<5KB，所以把這2KB插入5KB的內存塊之前。若應用程序又需要申請3KB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部分用于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。隨后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lKB、2KB或3KB)。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。由于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2KB)，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。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

相對于常見的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，無法以后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)等才能實現一個較復雜的系統，不像μC／OS-II可以和μC／GUI、μC／FS、μC／TCP-IP等無縫結合。

3、結論

作為一個源碼公開的操作系統，學習FreeRTOS可以更好地掌握嵌入式實時操作系統的實現原理；作為一個免費的操作系統，采用FreeRTOS可在基本滿足較小系統需要的情況下降低系統成本、簡化開發難度。在實踐中，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，實現了較好的控制效果。相信隨著時間的發展，FreeRTOS會不斷完善其功能，以更好地滿足人們對嵌入式操作系統實時性、可靠性、易用性的要求。