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，其最新版本為2.6版。

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：

typedef struct xLIST{ //定義鏈表結構

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;

struct xLIST_ITEM { //定義鏈表結點的結構

port Tick type xItem Value;

//xItem Value的值用于實現時間管理

//port Tick Type為時針節拍數據類型，

//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中每個任務對應于一個任務控制塊(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; //任務優先級

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（如消息隊列）

unsigned portCHAR ucTCBNumber; //用于記錄功能

}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[i]．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l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。

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。

2.5 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。

2.6 FreeRTOS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。

STM32/STM8

意法半導體/ST/STM