在嵌入式領域中，嵌入式實時操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應用。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（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(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。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)實時操作系統(tǒng)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(tǒng)，freertos操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)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(tǒng)功能

作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，freertos提供的功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、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)先級調(diào)度算法，每個任務可根據(jù)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)先級最高的任務先運行。freert0s內(nèi)核同時支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務共享cpu的使用時間。

freertos的內(nèi)核可根據(jù)用戶需要設置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。當freertos被設置為可剝奪型內(nèi)核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務能剝奪低優(yōu)先級任務的cpu使用權(quán)，這樣可保證系統(tǒng)滿足實時性的要求；當freertos被設置為不可剝奪型內(nèi)核時，處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級任務只有等當前運行任務主動釋放cpu的使用權(quán)后才能獲得運行，這樣可提高cpu的運行效率。

2 freertos操作系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)

2. 1任務調(diào)度機制的實現(xiàn)

任務調(diào)度機制是嵌入式實時操作系統(tǒng)的一個重要概念，也是其核心技術(shù)。對于可剝奪型內(nèi)核，優(yōu)先級高的任務一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級較低任務的cpu使用權(quán)，提高了系統(tǒng)的實時響應能力。不同于μc/os-ii，freertos對系統(tǒng)任務的數(shù)量沒有限制，既支持優(yōu)先級調(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就緒表的方法來進行任務調(diào)度。系統(tǒng)定義的鏈表和鏈表節(jié)點數(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(jié)點的指針

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

｝xlist;

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

port tick type xitem value;

//xitem value的值用于實現(xiàn)時間管理

//port tick type為時針節(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;

//指向鏈表的前一個結(jié)點

void ＊ pvowner;//指向此鏈表結(jié)點所在的任務控制塊

void ＊ pvcontainer;//指向此鏈表結(jié)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(jié)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(yōu)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(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。若想使優(yōu)先級為n的任務進入就緒態(tài)，需要把此任務對應的tcb中的結(jié)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(xiàn)。

當進行任務調(diào)度時，調(diào)度算法首先實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級從高到低的順序從就緒任務鏈表數(shù)組中尋找usnumberofitems第一個不為0的優(yōu)先級，此優(yōu)先級即為當前最高就緒優(yōu)先級，據(jù)此實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度。若此優(yōu)先級下只有一個就緒任務，則此就緒任務進入運行態(tài)；若此優(yōu)先級下有多個就緒任務，則需采用輪換調(diào)度算法實現(xiàn)多任務輪流執(zhí)行。

若在優(yōu)先級n下執(zhí)行輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)先通過執(zhí)行（pxreadytaskslists[n]）→pxindex=（pxreadytasks-lists[n]）→pxlndex→pxnext語句得到當前結(jié)點所指向的下一個結(jié)點，再通過此結(jié)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(tài)。由此可見，在freertos中，相同優(yōu)先級任務之間的切換時間為一個時鐘節(jié)拍周期。

以圖l為例，設系統(tǒng)的最大任務數(shù)為pottmax_priorities，在某一時刻進行任務調(diào)度時，得到pxreadytaskslists[i]．usnumberofitems=o（i=2...portmax_priorities）以及pxreadytaskslists[1]。usnumberofitems=3。由此內(nèi)核可知當前最高就緒優(yōu)先級為l，且此優(yōu)先級下已有三個任務已進入就緒態(tài)．由于最高就緒優(yōu)先級下有多個就緒任務，系統(tǒng)需執(zhí)行輪換調(diào)度算法實現(xiàn)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(jié)點指向任務2，因此系統(tǒng)把pxindex指向任務2并執(zhí)行任務2來實現(xiàn)任務調(diào)度。當下一個時鐘節(jié)拍到來時，若最高就緒優(yōu)先級仍為1，由圖l可見，系統(tǒng)會把pxindex指向任務3并執(zhí)行任務3。

為了加快任務調(diào)度的速度，frecrtos通過變量uctopreadypriotity跟蹤當前就緒的最高優(yōu)先級。當把一個任務加入就緒鏈表時，如果此任務的優(yōu)先級高于uctopreadypriority，則把這個任務的優(yōu)先級賦予uctopreadypriority。這樣當進行優(yōu)先級調(diào)度時，調(diào)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(nèi)核關斷時間。

2.2 任務管理的實現(xiàn)

實現(xiàn)多個任務的有效管理是操作系統(tǒng)的主要功能。freertos下可實現(xiàn)創(chuàng)建任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務、設定任務優(yōu)先級、獲得任務相關信息等功能。下面主要討論freertos下任務創(chuàng)建和任務刪除的實現(xiàn)。當調(diào)用staskcreate（）函數(shù)創(chuàng)建一個新的任務時，freertos首先為新任務分配所需的內(nèi)存。若內(nèi)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(yōu)先級，然后根據(jù)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(chuàng)建的任務加入到就緒任務鏈表。若當前此任務的優(yōu)先級為最高，則把此優(yōu)先級賦值給變量uctopreadypriorlty（其作用見2.1節(jié)）。若任務調(diào)度程序已經(jīng)運行且當前創(chuàng)建的任務優(yōu)先級為最高，則進行任務切換.