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