基础知识

在嵌入式领域中，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，缩短系统开发的时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。

FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。属于轻量级的操作系统，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、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。

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10.3.1版。

1、功能和特点

• 用户可配置内核功能
• 多平台的支持
• 提供一个高层次的信任代码的完整性
• 目标代码小，简单易用
• 遵循MISRA-C标准的编程规范
• 强大的执行跟踪功能
• 堆栈溢出检测
• 没有限制的任务数量
• 没有限制的任务优先级
• 多个任务可以分配相同的优先权
• 队列，二进制信号量，计数信号灯和递归通信和同步的任务
• 优先级继承
• 免费开源的源代码

2、原理机制

2.1任务调度机制

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，FreeRTOS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FreeRTOS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。

FreeRTOS中每个任务对应于一个任务控制块(TCB)。

当进行任务调度时，调度算法首先实现优先级调度。系统按照优先级从高到低的顺序从就绪任务链表数组中寻找usNumberOfItems第一个不为0的优先级，此优先级即为当前最高就绪优先级，据此实现优先级调度。若此优先级下只有一个就绪任务，则此就绪任务进入运行态；若此优先级下有多个就绪任务，则需采用轮换调度算法实现多任务轮流执行。

在FreeRTOS中，相同优先级任务之间的切换时间为一个时钟节拍周期。

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FreeRTOS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。

2.2任务管理　

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。

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ucTopReadyPriorlty(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—II，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prvldleTask()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-II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。

函数分析：

xTaskCreate() API函数-----创建任务（线程）

//函数原型和参数说明 
portBASE_TYPE xTaskCreate( 
pdTASK_CODE pvTaskCode,//一个指向任务的实现函数的指针(效果上仅仅是函数名)。 
const signed portCHAR * const pcName,//具有描述性的任务名,只是单纯地用于辅助调试。 
unsigned portSHORT usStackDepth,//需要分配的栈空间大小 
void *pvParameters,//传递到任务中的值 
unsigned portBASE_TYPE uxPriority,//任务指向的优先级 
xTaskHandle *pxCreatedTask //传出任务的句柄 
);

pvTaskCode

任务只是永不退出的 C 函数，实现常通常是一个死循环。参数pvTaskCode 只一个指向任务的实现函数的指针(效果上仅仅是函数名)。

pcName

具有描述性的任务名。这个参数不会被 FreeRTOS 使用。其只是单纯地用于辅助调试。识别一个具有可读性的名字总是比通过句柄来识别容易得多。

应用程序可以通过定义常量 config_MAX_TASK_NAME_LEN 来定义任务名的最大长度——包括’\0’结束符。如果传入的字符串长度超 过了这个最大值，字符串将会自动被截断。

usStackDepth

当任务创建时，内核会分为每个任务分配属于任务自己的唯一状态。usStackDepth 值用于告诉内核为它分配多大的栈空间。

这个值指定的是栈空间可以保存多少个字(word)，而不是多少个字节(byte)。比如说，如果是 32 位宽的栈空间，传入的 usStackDepth值为 100，则将会分配 400 字节的栈空间(100 * 4bytes)。栈深度乘以栈宽度的结果千万不能超过一个 size_t 类型变量所能表达的最大值。

应用程序通过定义常量 configMINIMAL_STACK_SIZE 来决定空闲任务任用的栈空间大小。在 FreeRTOS 为微控制器架构提供的Demo 应用程序中，赋予此常量的值是对所有任务的最小建议值。如果你的任务会使用大量栈空间，那么你应当赋予一个更大的值。没有任何简单的方法可以决定一个任务到底需要多大的栈空间。计算出来虽然是可能的，但大多数用户会先简单地赋予一个自认为合理的值，然后利用 FreeRTOS 提供的特性来确证分配的空间既不欠缺也不浪费。第六章包括了一些信息，可以知道如何去查询任务使用了多少栈空间。

pvParameters

任务函数接受一个指向 void 的指针(void*)。pvParameters 的值即是传递到任务中的值。这篇文档中的一些范例程序将会示范这个参数可以如何使用。

uxPriority

指定任务执行的优先级。优先级的取值范围可以从最低优先级 0 到最高优先级(configMAX_PRIORITIES – 1)。

configMAX_PRIORITIES 是一个由用户定义的常量。优先级号并没有上限(除了受限于采用的数据类型和系统的有效内存空间)，但最好使用实际需要的最小数值以避免内存浪费。如果 uxPriority 的值超过了(configMAX_PRIORITIES – 1)，将会导致实际赋给任务的优先级被自动封顶到最大合法值。

pxCreatedTask

pxCreatedTask 用于传出任务的句柄。这个句柄将在 API 调用中对该创建出来的任务进行引用，比如改变任务优先级，或者删除任务。如果应用程序中不会用到这个任务的句柄，则 pxCreatedTask 可以被设为 NULL。

返回值

有两个可能的返回值：

1. pdTRUE

表明任务创建成功。

2. errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY

由于内存堆空间不足，FreeRTOS 无法分配足够的空间来保存任务

结构数据和任务栈，因此无法创建任务。

2.3时间管理

FreeRTOS提供的典型时间管理函数是vTaskDelay()，调用此函数可以实现将任务延时一段特定时间的功能。

在FreeRT0S中，若一个任务要延时xTicksToDelay个时钟节拍，系统内核会把当前系统已运行的时钟节拍总数(定义为xTickCount，32位长度)加上xTicksToDelay得到任务下次唤醒时的时钟节拍数xTimeToWake。然后，内核把此任务的任务控制块从就绪链表中删除，把xTimeToWake作为结点值赋予任务的xItemValue，再根据xTimeToWake的值把任务控制块按照顺序插入不同的链表。若xTimeToWake>xTickCount，即计算中没有出现溢出，内核把任务控制块插入到pxDelayedTaskList链表；若xTimeToWake 每发生一个时钟节拍，内核就会把当前的xTick-Count加1。若xTickCount的结果为0，即发生溢出，内核会把pxOverflowDelayedTaskList作为当前链表；否则，内核把pxDelaycdTaskList作为当前链表。内核依次比较xTickCotlrtt和链表各个结点的xTimcToWake。若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，说明延时时间已到，应该把任务从等待链表中删除，加入就绪链表。

由此可见，不同于μC/OS—II，FreeRTOS采用“加”的方式实现时间管理。其优点是时间节拍函数的执行时间与任务数量基本无关，而μC/OS—II的OSTimcTick()的执行时间正比于应用程序中建立的任务数。因此当任务较多时，FreeRTOS采用的时间管理方式能有效加快时钟节拍中断程序的执行速度。

2.4内存分配策略　

每当任务、队列和信号量创建的时候，FreeRTOS要求分配一定的RAM。虽然采用malloc()和free()函数可以实现申请和释放内存的功能，但这两个函数存在以下缺点：并不是在所有的嵌入式系统中都可用，要占用不定的程序空间，可重入性欠缺以及执行时间具有不可确定性。为此，除了可采用malloc()和free()函数外，FreeRTOS还提供了另外两种内存分配的策略，用户可以根据实际需要选择不同的内存分配策略。

• 第1种方法是，按照需求内存的大小简单地把一大块内存分割为若干小块，每个小块的大小对应于所需求内存的大小。这样做的好处是比较简单，执行时间可严格确定，适用于任务和队列全部创建完毕后再进行内核调度的系统；这样做的缺点是，由于内存不能有效释放，系统运行时应用程序并不能实现删除任务或队列。
• 第2种方法是，采用链表分配内存，可实现动态的创建、删除任务或队列。系统根据空闲内存块的大小按从小到大的顺序组织空闲内存链表。当应用程序申请一块内存时，系统根据申请内存的大小按顺序搜索空闲内存链表，找到满足申请内存要求的最小空闲内存块。为了提高内存的使用效率，在空闲内存块比申请内存大的情况下，系统会把此空闲内存块一分为二。一块用于满足申请内存的要求，一块作为新的空闲内存块插入到链表中。

2.5FreeRTOS的移植　（待补充）

FreeRTOS操作系统可以被方便地移植到不同处理器上工作，现已提供了ARM、MSP430、AVR、PIC、C8051F等多款处理器的移植。FreeRTOS在不同处理器上的移植类似于μC/0S一II。此外，TCP/IP协议栈、μIP已被移植到FreeRTOS上，具体代码可见FreeRTOS网站。

2.6FreeRTOS的不足　

相对于常见的μC/OS—II操作系统，FreeRTOS操作系统既有优点也存在不足。其不足之处，一方面体现在系统的服务功能上，如FreeRTOS只提供了消息队列和信号量的实现，无法以后进先出的顺序向消息队列发送消息；另一方面，FreeRTOS只是一个操作系统内核，需外扩第三方的GUI(图形用户界面)、TCP/IP协议栈、FS(文件系统)等才能实现一个较复杂的系统，不像μC/OS-II可以和μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP等无缝结合。

补充知识：

μIP协议栈是由瑞典计算机科学研究所的AdamDunkels开发，并在BSD风格的许可证下发布的免费、开放源代码的协议栈。

完整TCP／IP协议栈的实现分别需要几百KB的程序存储空间和内存，这对8位或16位芯片组成的系统来说，需消耗太多的资源而无法得到应用。对于大多数应用来说，实现完整的TCP／IP协议栈是没有必要的。

μIP设计成仅仅实现完整TCP／IP协议栈里必需的特性，其中包括IP、ICMP、μDP和TCP协议，整个协议栈是用C语言实现的，并且只能处理一个网络接口。

应用程序调用μIP协议栈提供的用户接口函数实现网络通信功能。发送数据时，μIP协议栈把应用程序的数据封装成符合以太网标准的数据包，再调用底层驱动程序把数据发送到以太网中的目标机器。一旦以太网控制器接收到符合要求的数据包，则μIP协议栈提取包中的有效数据传递给应用程序。μIP协议栈与底层驱动、应用程序的调用关系如下图所示。