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嵌入式操作系统FreeRTOS的发展及原理

嵌入式操作系统FreeRTOS的发展及原理

编辑:达席耳智能    来源:www.njyanwei.com    发布时间:2018-05-17 17:12    浏览量:

        在嵌入式领域中,嵌入式(主要装在嵌入式工控机)实时操作系统得到了广泛的运用。采用嵌入式实时操作系统(RTOS)可以合理地、有效地利用CPU的资源,简化应用App的设计,减少系统开发时间,更好地完善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操作系统是免费的操作系统,具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略的特点,可以方便地移植到各种单片机上运行,其新版本为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:任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等,可基本满足较小系统的需要。FreeRTOS内核支撑优先级调度算法 
,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、优先级高的任务先运行。FreeRT0S内核同时支撑轮换调度算法,系统允许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。
 
       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,既支撑优先级调度算法也支撑轮换调度算法,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: 


        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个不为0的优先级,此优先级即为当前高就绪优先级,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实行。
 
       若在优先级n下实行轮换调度算法,系统先通过实行(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,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。

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