FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)

　　為了加快任務調度的速度，F(xiàn)recRTOS通過變量ucTopReadyPriotity跟蹤當前就緒的最高優(yōu)先級。當把一個任務加入就緒鏈表時，如果此任務的優(yōu)先級高于ucTopReadyPriority，則把這個任務的優(yōu)先級賦予ucTopReadyPriority。這樣當進行優(yōu)先級調度時，調度算法不是從portMAX_PRIORIT

　　IES而是從ucTopReady-Priority開始搜索。這就加快了搜索的速度，同時縮短了內核關斷時間。

　　2.2 任務管理的實現(xiàn)

　　實現(xiàn)多個任務的有效管理是操作系統(tǒng)的主要功能。FreeRTOS下可實現(xiàn)創(chuàng)建任務、刪除任務、掛起任務、恢復任務、設定任務優(yōu)先級、獲得任務相關信息等功能。下面主要討論FreeRTOS下任務創(chuàng)建和任務刪除的實現(xiàn)。當調用sTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建一個新的任務時，FreeRTOS首先為新任務分配所需的內存。若內存分配成功，則初始化任務控制塊的任務名稱、堆棧深度和任務優(yōu)先級，然后根據(jù)堆棧的增長方向初始化任務控制塊的堆棧。接著，F(xiàn)reeRTOS把當前創(chuàng)建的任務加入到就緒任務鏈表。若當前此任務的優(yōu)先級為最高，則把此優(yōu)先級賦值給變量ucTopReadyPriorlty(其作用見2.1節(jié))。若任務調度程序已經運行且當前創(chuàng)建的任務優(yōu)先級為最高，則進行任務切換。

　　不同于μC/OS—II，F(xiàn)reeRTOS下任務刪除分兩步進行。當用戶調用vTaskDelete()函數(shù)后，執(zhí)行任務刪除的第一步：FreeRTOS先把要刪除的任務從就緒任務鏈表和事件等待鏈表中刪除，然后把此任務添加到任務刪除鏈表，若刪除的任務是當前運行任務，系統(tǒng)就執(zhí)行任務調度函數(shù)，至此完成任務刪除的第一步。當系統(tǒng)空閑任務即prvldleTask()函數(shù)運行時，若發(fā)現(xiàn)任務刪除鏈表中有等待刪除的任務，則進行任務刪除的第二步，即釋放該任務占用的內存空間，并把該任務從任務刪除鏈表中刪除，這樣才徹底刪除了這個任務。值得注意的是，在FreeRTOS中，當系統(tǒng)被配置為不可剝奪內核時，空閑任務還有實現(xiàn)各個任務切換的功能。

　　通過比較μC/OS-II和FreeRTOS的具體代碼發(fā)現(xiàn)，采用兩步刪除的策略有利于減少內核關斷時間，減少任務刪除函數(shù)的執(zhí)行時間，尤其是當刪除多個任務的時候。

　　2.3 時間管理的實現(xiàn)

　　FreeRTOS提供的典型時間管理函數(shù)是vTaskDelay()，調用此函數(shù)可以實現(xiàn)將任務延時一段特定時間的功能。在FreeRT0S中，若一個任務要延時xTicksToDelay個時鐘節(jié)拍，系統(tǒng)內核會把當前系統(tǒng)已運行的時鐘節(jié)拍總數(shù)(定義為xTickCount，32位長度)加上xTicksToDelay得到任務下次喚醒時的時鐘節(jié)拍數(shù)xTimeToWake。然后，內核把此任務的任務控制塊從就緒鏈表中刪除，把xTimeToWake作為結點值賦予任務的xItemValue，再根據(jù)xTimeToWake的值把任務控制塊按照順序插入不同的鏈表。若xTimeToWake > xTickCount，即計算中沒有出現(xiàn)溢出，內核把任務控制塊插入到pxDelayedTaskList鏈表;若xTimeToWak e xTickCount，即在計算過程中出現(xiàn)溢出，內核把任務控制塊插入到pxOverflowDelayed-Taskust鏈表。

　　每發(fā)生一個時鐘節(jié)拍，內核就會把當前的xTick-Count加1。若xTickCount的結果為0，即發(fā)生溢出，內核會把pxOverflowDelayedTaskList作為當前鏈表;否則，內核把pxDelaycdTaskList作為當前鏈表。內核依次比較xTickCotlrtt和鏈表各個結點的xTimcToWake。若xTick-Count等于或大于xTimeToWake，說明延時時間已到，應該把任務從等待鏈表中刪除，加入就緒鏈表。

　　由此可見，不同于μC/OS—II，F(xiàn)reeRTOS采用“加”的方式實現(xiàn)時間管理。其優(yōu)點是時間節(jié)拍函數(shù)的執(zhí)行時間與任務數(shù)量基本無關，而μC/OS—II的OSTimcTick()的執(zhí)行時間正比于應用程序中建立的任務數(shù)。因此當任務較多時，F(xiàn)reeRTOS采用的時間管理方式能有效加快時鐘節(jié)拍中斷程序的執(zhí)行速度。

　　2.4 內存分配策略

　　每當任務、隊列和信號量創(chuàng)建的時候，F(xiàn)reeRTOS要求分配一定的RAM。雖然采用malloc()和free()函數(shù)可以實現(xiàn)申請和釋放內存的功能，但這兩個函數(shù)存在以下缺點：并不是在所有的嵌入式系統(tǒng)中都可用，要占用不定的程序空間，可重人性欠缺以及執(zhí)行時間具有不可確定性。為此，除了可采用malloc()和free()函數(shù)外，F(xiàn)reeRTOS還提供了另外兩種內存分配的策略，用戶可以根據(jù)實際需要選擇不同的內存分配策略。

　　第1種方法是，按照需求內存的大小簡單地把一大塊內存分割為若干小塊，每個小塊的大小對應于所需求內存的大小。這樣做的好處是比較簡單，執(zhí)行時間可嚴格確定，適用于任務和隊列全部創(chuàng)建完畢后再進行內核調度的系統(tǒng);這樣做的缺點是，由于內存不能有效釋放，系統(tǒng)運行時應用程序并不能實現(xiàn)刪除任務或隊列。

　　第2種方法是，采用鏈表分配內存，可實現(xiàn)動態(tài)的創(chuàng)建、刪除任務或隊列。系統(tǒng)根據(jù)空閑內存塊的大小按從小到大的順序組織空閑內存鏈表。當應用程序申請一塊內存時，系統(tǒng)根據(jù)申請內存的大小按順序搜索空閑內存鏈表，找到滿足申請內存要求的最小空閑內存塊。為了提高內存的使用效率，在空閑內存塊比申請內存大的情況下，系統(tǒng)會把此空閑內存塊一分為二。一塊用于滿足申請內存的要求，一塊作為新的空閑內存塊插入到鏈表中。

　　下面以圖2為例介紹方法2的實現(xiàn)。假定用于動態(tài)分配的RAM共有8KB，系統(tǒng)首先初始化空閑內存塊鏈表，把8KB RAM全部作為一個空閑內存塊。當應用程序分別申請1KB和2KB內存后，空閑內存塊的大小變?yōu)?KB3。2KB的內存使用完畢后，系統(tǒng)需要把2KB插入到現(xiàn)有的空閑內存塊鏈表。由于2 KB5KB，所以把這2 KB插入5KB的內存塊之前。若應用程序又需要申請3 KB的內存，而在空閑內存塊鏈表中能滿足申請內存要求的最小空閑內存塊為5KB，因此把5KB內存拆分為2部分，3KB部分用于滿足申請內存的需要，2KB部分作為新的空閑內存塊插入鏈表。隨后1KB的內存使用完畢需要釋放，系統(tǒng)會按順序把1KB內存插入到空閑內存鏈表中。