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[嵌入式资料] 嵌入式操作系统FreeRTOS的原理实现

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发表于 2022-3-19 14:56:53 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
FreeRTOS是一个源码公开的免费的嵌入式实时操作系统,通过研究其内核可以更好地理解嵌入式操作系统的实现原理。本文主要阐述 FreeRTOS系统中的任务调度机制、时间管理机制、任务管理机制以及内存分配策略的实现原理,并指出 FreeRTOS 在应用中的优缺点。

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,其最新版本为2.6版。

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Free RTOS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,Free RTOS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 FrecRTOS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。
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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sTaskCreate()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ucTopReadyPriority(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-ⅡI,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-IⅡ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。

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