在嵌入式領域中，嵌入式實時操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應用。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)(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(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源)，只有μC／OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機上運行。相對于C／OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng)，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(tǒng)功能

作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS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(tǒng)的需要。FreeRTOS內核支持優(yōu)先級調度算法，每個任務可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)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(tǒng)允許不同的任務使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務共享CPU的使用時間。

FreeRTOS的內核可根據(jù)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(tài)的高優(yōu)先級任務能剝奪低優(yōu)先級任務的CPU使用權，這樣可保證系統(tǒng)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(tài)的高優(yōu)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(tǒng)的原理與實現(xiàn)

2. 1任務調度機制的實現(xiàn)

任務調度機制是嵌入式實時操作系統(tǒng)的一個重要概念，也是其核心技術。對于可剝奪型內核，優(yōu)先級高的任務一旦就緒就能剝奪優(yōu)先級較低任務的CPU使用權，提高了系統(tǒng)的實時響應能力。不同于μC／OS-II，F(xiàn)reeRTOS對系統(tǒng)任務的數(shù)量沒有限制，既支持優(yōu)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(tǒng)定義的鏈表和鏈表節(jié)點數(shù)據(jù)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(xiàn)時間管理

//port Tick Type為時針節(jié)拍數(shù)據(jù)類型，

//可根據(jù)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(yōu)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(shù)組為xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES為系統(tǒng)定義的最大優(yōu)先級。若想使優(yōu)先級為n的任務進入就緒態(tài)，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(xiàn)。

當進行任務調度時，調度算法首先實現(xiàn)優(yōu)先級調度。系統(tǒng)按照優(yōu)先級從高到低的順序從就緒任務鏈表數(shù)組中尋找usNumberOfItems第一個不為0的優(yōu)先級，此優(yōu)先級即為當前最高就緒優(yōu)先級，據(jù)此實現(xiàn)優(yōu)先級調度。若此優(yōu)先級下只有一個就緒任務，則此就緒任務進入運行態(tài)；若此優(yōu)先級下有多個就緒任務，則需采用輪換調度算法實現(xiàn)多任務輪流執(zhí)行。