初学者之--理解嵌入式操作系统

程序天使

初学者之--理解嵌入式操作系统 [复制链接]

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，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。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。相对于C／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2.6版。

　　1 FreeRTOS操作系统功能

　　作为一个轻量级的操作系统，FreeRTOS提供的功能包括：任务治理、时间治理、信号量、消息队列、内存治理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要。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。FreeRT0S内核同时支持轮换调度算法，系统答应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。 ARM开发论坛

　　2 FreeRTOS操作系统的原理与实现

　　2. 1任务调度机制的实现

　　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。系统定
义的链表和链表节点数据结构如下所示：
typedef struct xLIST{ //定义链表结构 unsigned portSHORPT usNumberOfItems; 字串4

//usNumberOfItems为链表的长度，为0表示链表为空 ARM开发论坛

volatile xListItem * pxHead;//pxHead为链表的头指针 http://www.armforum.cn

volatile xListItem * pxIndex; //pxIndex指向链表当前结点的指针 ARM
volatile xListItem xListEnd; //xListEnd为链表尾结点 ARM开发论坛
}xList; ARM

struct xLIST_ITEM { //定义链表结点的结构 M开发论坛
port Tick type xItem Value; http://www.armforum.cn
//xItem Value的值用于实现时间治理 http://www.armforum.cn

//port Tick Type为时针节拍数据类型， ARM
//可根据需要选择为16位或32位 ARM
volatile struct xLIST_ITEM * pxNext; M开发论坛
//指向链表的前一个结点 http://www.armforum.cn

void * pvOwner;//指向此链表结点所在的任务控制块 M开发论坛

void * pvContainer;//指向此链表结点所在的链表}； ARM

FreeRTOS中每个任务对应于一个任务控制块(TCB)，其定义如下所示： 字串4

typedef struct tskTaskControlBlock { http://www.armforum.cn

portSTACK_TYPE * pxTopOfStack; 字串4

//指向任务堆栈结束处 http://www.armforum.cn
portSTACK_TYPE * pxStack; http://www.armforum.cn
//指向任务堆栈起始处 http://www.armforum.cn

unsigned portSHORT usStackDepth; //定义堆栈深度 ARM开发论坛
signed portCHAR pcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN];//任务名称 http://www.armforum.cn
unsigned portCHAR ucPriority; //任务优先级 字串4

xListItem xGenericListItem; 字串4

//用于把TCB插入就绪链表或等待链表 ARM
xListItem xEventListItem; ARM开发论坛

//用于把TCB插入事件链表（如消息队列） 字串8
unsigned portCHAR ucTCBNumber; //用于记录功能 字串4
}tskTCB; 字串4

　　FreeRTOS定义就绪任务链表数组为xList pxReady—TasksLists[portMAX_PRIORITIES]。其中portMAX_PRIORITIES为系统定义的最大优先级。若想使优先级为n的任务进入就绪态，需要把此任务对应的TCB中的结点xGenericListltem插入到链表pxReadyTasksLiStS[n]中，还要把xGenericListItem中的pvContainer指向pxReadyTasksLists[n]方可实现。

　　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。

　　若在优先级n下执行轮换调度算法，系统先通过执行
(pxReadyTasksLists[n])→pxIndex=(pxReadyTasks-Lists[n])→pxlndex→pxNext语句得到当前结点所指向的下一个结点，再通过此结点的pvOwner指针得到对应的任务控制块，最后使此任务控制块对应的任务进入运行态。由此可见，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。

　　以图l为例，设系统的最大任务数为pottMAX_PRIORITIES，在某一时刻进行任务调度时，得到pxReadyTasksLists．usNumberOfItems=O(i=2...portMAX_PRIORITIES)以及pxReadyTasksLists[1]。usNumberOfItems=3。由此内核可知当前最高就绪优先级为l，且此优先级下已有三个任务已进入就绪态．由于最高就绪优先级下有多个就绪任务，系统需执行轮换调度算法实现任务切换；通过指针pxlndex可知任务l为当前任务，而任务l的pxNext结点指向任务2，因此系统把pxIndex指向任务2并执行任务2来实现任务调度。当下一个时钟节拍到来时，若最高就绪优先级仍为1，由图l可见，系统会把pxIndex指向任务3并执行任务3。 字串4

　　为了加快任务调度的速度，FrecRTOS通过变量ucTopReadyPriotity跟踪当前就绪的最高优先级。当把一个任务加入就绪链表时，假如此任务的优先级高于ucTopReadyPriority，则把这个任务的优先级赋予ucTopReadyPriority。这样当进行优先级调度时，调度算法不是从portMAX_PRIORITIES而是从ucTopReady-Priority开始搜索。这就加快了搜索的速度，同时缩短了内核关断时间。