FreeRTOS嵌入式開源實時操作系統介紹

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

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

就像所有操作系統一樣，FreeRTOS的主要工作是執行任務。大部分FreeRTOS的代碼都涉及優先權、調度以及執行用戶自定義任務。但又與所有其他操作系統不同，FreeRTOS是一款運行在嵌入式系統上的實時操作系統。

到本章結束，我希望你可以了解FreeRTOS的基本架構。大部分FreeRTOS致力于執行任務，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，我還是希望你可以學習到最基本的操作系統是如何工作的。FreeRTOS是相對簡單的，特別是相比Windows，linux，或者OS X而言，不過所有操作系統都有著相同的概念和目標，所以不論學習哪個操作系統都是有啟發和有趣的。

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。

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

實時系統是設計去完成一定時間內的事，它們保證這些事是在應該做的時候去做。

心臟起搏器是實時嵌入式系統的一個極好例子。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。心臟起搏器以及其他的實時嵌入式系統都必須精心設計，以便在任何時刻都能及時執行它們的任務。

3.2架構概述

FreeRTOS是一個相對較小的應用程序。最小化的FreeRTOS內核僅包括3個（.c）文件和少數頭文件，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塊：任務，通訊，和硬件接口。

●任務：大約有一半的FreeRTOS的核心代碼用來處理多數操作系統首要關注的問題：任務。任務是給定優先級的用戶定義的C函數。task.c和task.h完成了所有有關創建，調度，和維護任務的繁重工作。

●通訊：任務很重要，不過任務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：通訊。大約40%的FreeRTOS核心代碼是用來處理通訊的。queue.c和queue.h是負責處理FreeRTOS的通訊的。任務和中斷使用隊列互相發送數據，并且使用信號燈和互斥來發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內核上。大約有6%的FreeRTOS的核心代碼，在硬件無關的FreeRTOS內核與硬件相關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的代碼。

硬件注意事項

硬件無關的FreeRTOS層在硬件相關層之上。硬件相關層聲明了你選擇什么樣的芯片架構。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的硬件無關以及硬件相關的代碼。它支持許多編譯器（CodeWarrior，GCC，IAR等）也支持許多處理器架構（ARM7，ARM Cortex-M3，PICs各系列，Silicon Labs 8051, x86等）。請參閱FreeRTOS網站，可以看到處理器和編譯器支持列表。

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

配置選項可以通過設置不同的#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，設置了任務優先級的最大數量，CPU的頻率，系統節拍器的頻率，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，硬件相關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的代碼。硬件無關的頭文件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調用在portmacro.h中聲明的硬件特定功能。

讓我們來看一個例子，FreeRTOS是如何調用一個硬件相關功能的。硬件無關的文件tasks.c常常需要插入一個代碼的臨界區，以防止搶占。在不同架構上，插入一個臨界區的表現也不同，并且硬件無關的task.c不需要了解硬件相關的細節。所以task.c調用全局宏指令portENTER_CRITICAL(), 樂得忽略它實際上是如何做到的。假設我們使用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的文件，同時包含了對IAR編譯器和Cortex-M3芯片認識的代碼文件。vPortEnterCritical()函數利用這些硬件特定的知識進入臨界區，又返回到與硬件無關的task.c中。

protmacro.h文件也定義了一個數據類型的基本架構。這個數據類型中包括了基本整型變量，指針，以及系統時鐘節拍器的數據類型，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
這樣使用數據類型的方法，和函數透過小層的#defines，看上去略微有點復雜，不過它允許了FreeRTOS能夠被重新編譯在一個完全不同的系統架構上，僅僅只需要通過修改這些硬件相關的文件。同時，如果你想要讓FreeRTOS運行在一個當前尚未被支持的架構上，你只僅僅需要去實現硬件相關的功能，這要比在FreeRTOS上去實現硬件無關的部分，要少得多。

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

3.3. 調度任務：快速概述

任務優先級和就緒列表

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

FreeRTOS使用一個“就緒列表”來跟蹤所有已經準備好運行的任務。它像一個任務列表數組來實現就緒列表，如下所示：

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