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，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***
volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向鏈表當前結點的指***
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***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***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[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***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。

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圖1 任務調度示意

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 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xTimeToWak e< xTickCount，即在計算過程中出現溢出，內核把任務控制塊插入到pxOverflowDelayed-Taskust鏈表。

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。