FreeRTOS嵌入式開源實時操作系統(tǒng)介紹

FreeRTOS(讀作"free-arr-toss")是一個嵌入式系統(tǒng)使用的開源實時操作系統(tǒng)。FreeRTOS被設(shè)計為“小巧，簡單，和易用”，能支持許多不同硬件架構(gòu)以及交叉編譯器。

FreeRTOS自2002年Richard Barry開始開發(fā)以來，一直都在積極開發(fā)中。至于我，我不是FreeRTOS的開發(fā)人員或貢獻(xiàn)者，我只不過是一個最終用戶和愛好者。因此，這章將著重與FreeRTOS架構(gòu)之“是什么”和“怎么做”，而相對本書其他章節(jié)來說，較少去講“為什么”。

就像所有操作系統(tǒng)一樣，F(xiàn)reeRTOS的主要工作是執(zhí)行任務(wù)。大部分FreeRTOS的代碼都涉及優(yōu)先權(quán)、調(diào)度以及執(zhí)行用戶自定義任務(wù)。但又與所有其他操作系統(tǒng)不同，F(xiàn)reeRTOS是一款運行在嵌入式系統(tǒng)上的實時操作系統(tǒng)。

到本章結(jié)束，我希望你可以了解FreeRTOS的基本架構(gòu)。大部分FreeRTOS致力于執(zhí)行任務(wù)，所以你可以很好地看到它究竟是如何做到的。

如果這是你首次去深入了解一個操作系統(tǒng)，我還是希望你可以學(xué)習(xí)到最基本的操作系統(tǒng)是如何工作的。FreeRTOS是相對簡單的，特別是相比Windows，linux，或者OS X而言，不過所有操作系統(tǒng)都有著相同的概念和目標(biāo)，所以不論學(xué)習(xí)哪個操作系統(tǒng)都是有啟發(fā)和有趣的。

3.1 什么是“嵌入式”和“實時”？

“嵌入式”和“實時”對于不同的人來說代表不同的理解，所以讓我們像FreeRTOS用戶那樣來定義它們。

嵌入式系統(tǒng)就是一個專門設(shè)計用來做一些簡單事情的計算機系統(tǒng)，就像是電視遙控器，車載GPS，電子手表，或者起搏器這類。嵌入式系統(tǒng)比通用計算機系統(tǒng)顯著的區(qū)別在于更小和更慢，通常也更便宜。一個典型的低端嵌入式系統(tǒng)可能有一個運行速度為25MHz的8位CPU，幾KB的內(nèi)存，和也許32KB的閃存。一個高端的嵌入式系統(tǒng)可能有一個運行速度為750MHz的32位CPU，一個GB左右的內(nèi)存，和幾個GB的閃存。

實時系統(tǒng)是設(shè)計去完成一定時間內(nèi)的事，它們保證這些事是在應(yīng)該做的時候去做。

心臟起搏器是實時嵌入式系統(tǒng)的一個極好例子。起搏器必須在正確的時間收縮心肌，以挽救你的生命；它不能夠太忙而沒有及時響應(yīng)。心臟起搏器以及其他的實時嵌入式系統(tǒng)都必須精心設(shè)計，以便在任何時刻都能及時執(zhí)行它們的任務(wù)。

3.2架構(gòu)概述

FreeRTOS是一個相對較小的應(yīng)用程序。最小化的FreeRTOS內(nèi)核僅包括3個（.c）文件和少數(shù)頭文件，總共不到9000行代碼，還包括了注釋和空行。一個典型的編譯后（二進制）代碼映像小于10KB。

FreeRTOS的代碼可以分解為三個主要區(qū)塊：任務(wù)，通訊，和硬件接口。

●任務(wù)：大約有一半的FreeRTOS的核心代碼用來處理多數(shù)操作系統(tǒng)首要關(guān)注的問題：任務(wù)。任務(wù)是給定優(yōu)先級的用戶定義的C函數(shù)。task.c和task.h完成了所有有關(guān)創(chuàng)建，調(diào)度，和維護任務(wù)的繁重工作。

●通訊：任務(wù)很重要，不過任務(wù)間可以互相通訊則更為重要！它給我們帶來FreeRTOS的第二項任務(wù)：通訊。大約40%的FreeRTOS核心代碼是用來處理通訊的。queue.c和queue.h是負(fù)責(zé)處理FreeRTOS的通訊的。任務(wù)和中斷使用隊列互相發(fā)送數(shù)據(jù)，并且使用信號燈和互斥來發(fā)送臨界資源的使用情況。

●硬件接口：接近9000行的代碼拼湊起基本的FreeRTOS，是硬件無關(guān)的；相同的代碼都能夠運行，不論FreeRTOS是運行在不起眼的8051，還是最新、最炫的ARM內(nèi)核上。大約有6%的FreeRTOS的核心代碼，在硬件無關(guān)的FreeRTOS內(nèi)核與硬件相關(guān)的代碼間扮演著墊片的角色。我們將在下個部分討論硬件相關(guān)的代碼。

硬件注意事項

硬件無關(guān)的FreeRTOS層在硬件相關(guān)層之上。硬件相關(guān)層聲明了你選擇什么樣的芯片架構(gòu)。圖3.1顯示了FreeRTOS的各層。

圖3.1：FreeRTOS的軟件層

FreeRTOS包含所有你需要用來啟動很運行系統(tǒng)的硬件無關(guān)以及硬件相關(guān)的代碼。它支持許多編譯器（CodeWarrior，GCC，IAR等）也支持許多處理器架構(gòu)（ARM7，ARM Cortex-M3，PICs各系列，Silicon Labs 8051, x86等）。請參閱FreeRTOS網(wǎng)站，可以看到處理器和編譯器支持列表。

FreeRTOS是高可配置設(shè)計。FreeRTOS可以被編譯成為適合單CPU，極簡RTOS，只之支持少數(shù)任務(wù)的操作系統(tǒng)，也可以被編譯成為適合多核功能強大的結(jié)合了TCP/IP，文件系統(tǒng)，和USB的怪獸。

配置選項可以通過設(shè)置不同的#defines，在FreeRTOSConfig.h文件里選擇。時鐘速度，堆大小，互斥，和API子集，連同其他許多選項，都可以在這個文件中配置。這里是幾個例子，設(shè)置了任務(wù)優(yōu)先級的最大數(shù)量，CPU的頻率，系統(tǒng)節(jié)拍器的頻率，最小的堆棧大小和總的堆大?。?br /> #define configMAX_PRIORITIES ( ( unsigned portBASE_TYPE ) 5 )
#define configCPU_CLOCK_HZ ( 12000000UL )
#define configTICK_RATE_HZ ( ( portTickType ) 1000 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 100 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ( ( size_t ) ( 4 * 1024 ) )

對于不同的交叉編譯器和CPU架構(gòu)，硬件相關(guān)代碼分布在多個文件中。舉例來說，如果你使用ARM Cortex-M3芯片，IAR編譯器工作，那么硬件相關(guān)的代碼就存在FreeRTOS/Source/portable/IAR/ARM_CM3/目錄下。portmacro.h文件聲明了所有硬件特定功能，port.c和portasm.s 包含了所有實際硬件相關(guān)的代碼。硬件無關(guān)的頭文件portable.h在編譯的時候用#include's引入正確的portmacro.h文件。FreeRTOS使用#define'd調(diào)用在portmacro.h中聲明的硬件特定功能。

讓我們來看一個例子，F(xiàn)reeRTOS是如何調(diào)用一個硬件相關(guān)功能的。硬件無關(guān)的文件tasks.c常常需要插入一個代碼的臨界區(qū)，以防止搶占。在不同架構(gòu)上，插入一個臨界區(qū)的表現(xiàn)也不同，并且硬件無關(guān)的task.c不需要了解硬件相關(guān)的細(xì)節(jié)。所以task.c調(diào)用全局宏指令portENTER_CRITICAL(), 樂得忽略它實際上是如何做到的。假設(shè)我們使用IAR編譯器在ARM Crotex-M3芯片上編譯生成FreeRTOS，使用那個定義了portENTER_CRITICAL()的文件/Source/portable/IAR/ARM_CM3/portmacro.h，如下所示：
#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()

vPortEnterCritical()實際上是在FreeRTOS/Source/portable/IAR/ARM_CM3/port.c中定義的。這個port.c文件是一個硬件相關(guān)的文件，同時包含了對IAR編譯器和Cortex-M3芯片認(rèn)識的代碼文件。vPortEnterCritical()函數(shù)利用這些硬件特定的知識進入臨界區(qū)，又返回到與硬件無關(guān)的task.c中。

protmacro.h文件也定義了一個數(shù)據(jù)類型的基本架構(gòu)。這個數(shù)據(jù)類型中包括了基本整型變量，指針，以及系統(tǒng)時鐘節(jié)拍器的數(shù)據(jù)類型，在ARM Cortex-M3 chips上使用IAR編譯器時，就采用如下定義：

#define portBASE_TYPE long // Basic integer variable type
#define portSTACK_TYPE unsigned long // Pointers to memory locations
typedef unsigned portLONG portTickType; // The system timer tick type
這樣使用數(shù)據(jù)類型的方法，和函數(shù)透過小層的#defines，看上去略微有點復(fù)雜，不過它允許了FreeRTOS能夠被重新編譯在一個完全不同的系統(tǒng)架構(gòu)上，僅僅只需要通過修改這些硬件相關(guān)的文件。同時，如果你想要讓FreeRTOS運行在一個當(dāng)前尚未被支持的架構(gòu)上，你只僅僅需要去實現(xiàn)硬件相關(guān)的功能，這要比在FreeRTOS上去實現(xiàn)硬件無關(guān)的部分，要少得多。

就如同我們已經(jīng)見到的，F(xiàn)reeRTOS用C的預(yù)處理宏#define來實現(xiàn)硬件相關(guān)的功能。FreeRTOS也同樣用#define來應(yīng)對大量的硬件無關(guān)的代碼。對于非嵌入式應(yīng)用程序這樣頻繁使用#define是一個嚴(yán)重的錯誤，不過在許多小型嵌入式系統(tǒng)中這點開銷比起“實時”所提供的功能來說就微不足道了。

3.3. 調(diào)度任務(wù)：快速概述

任務(wù)優(yōu)先級和就緒列表

所有任務(wù)都有一個用戶指定優(yōu)先級，從0（最低優(yōu)先級）到 configMAX_PRIORITIES-1的編譯時間值（最高優(yōu)先級）。例如，如果configMAX_PRIORITIES設(shè)置為5，當(dāng)FreeRTOS使用5個優(yōu)先等級時：0(最低優(yōu)先級)，1，2，3，和4（最高優(yōu)先級）。

FreeRTOS使用一個“就緒列表”來跟蹤所有已經(jīng)準(zhǔn)備好運行的任務(wù)。它像一個任務(wù)列表數(shù)組來實現(xiàn)就緒列表，如下所示：

static xList pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]; /* Prioritised ready tasks. */
pxReadyTasksLists[0]是所有準(zhǔn)備好的優(yōu)先級為0的任務(wù)列表，pxReadyTasksLists[1]是所有準(zhǔn)備好的優(yōu)先級為1的任務(wù)列表，以此類推，直到pxReadyTasksLists[configMAX_PRIORITIES-1]。