FreeRTOS -- 简介

       FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，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、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。

       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：

//定义链表结构
typedef struct xLIST{
    unsigned portSHORPT usNumberOfItems;    //usNumberOfItems为链表的长度，为0表示链表为空
    volatile xListItem *pxHead;    //pxHead为链表的头指针
    volatile xListItem *pxIndex;    //pxIndex指向链表当前结点的指针
    volatile xListItem xListEnd;    //xListEnd为链表尾结点
}xList;

//定义链表结点的结构
struct xLIST_ITEM{
    port Tick type;    //port Type为时针节拍数据类型
    xItem Value;    //xItem Value的值用于实现时间管理，可根据需要选择为16位或32位
    volatile struct xLIST_ITEM *pxNext;    //指向链表的前一个结点
    void *pvOwner;    //指向此链表结点所在的任务控制块
    void *pvContainer;    //指向此链表结点所在的链表
}；

       每当任务、队列和信号量创建的时候，FreeRTOS要求分配一定的RAM。虽然采用malloc()和free()函数可以实现申请和释放内存的功能，但这两个函数存在以下缺点：并不是在所有的嵌入式系统中都可用，要占用不定的程序空间，可重入性欠缺以及执行时间具有不可确定性。为此，除了可采用malloc()和free()函数外，FreeRTOS还提供了另外两种内存分配的策略，用户可以根据实际需要选择不同的内存分配策略。

       第1种方法是，按照需求内存的大小简单地把一大块内存分割为若干小块，每个小块的大小对应于所需求内存的大小。这样做的好处是比较简单，执行时间可严格确定，适用于任务和队列全部创建完毕后再进行内核调度的系统；这样做的缺点是，由于内存不能有效释放，系统运行时应用程序并不能实现删除任务或队列。

       第2种方法是，采用链表分配内存，可实现动态的创建、删除任务或队列。系统根据空闲内存块的大小按从小到大的顺序组织空闲内存链表。当应用程序申请一块内存时，系统根据申请内存的大小按顺序搜索空闲内存链表，找到满足申请内存要求的最小空闲内存块。为了提高内存的使用效率，在空闲内存块比申请内存大的情况下，系统会把此空闲内存块一分为二。一块用于满足申请内存的要求，一块作为新的空闲内存块插入到链表中。

       方法2的优点是，能根据任务需要高效率地使用内存，尤其是当不同的任务需要不同大小的内存的时候。方法2的缺点是，不能把应用程序释放的内存和原有的空闲内存混合为一体，因此，若应用程序频繁申请与释放“随机”大小的内存，就可能造成大量的内存碎片。方法2的另一个缺点是，程序执行时间具有一定的不确定性。

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

typedef struct tasTaskContralBlock{
    portSTACK_TYPE *pxTopOfStack;    //指向任务堆栈结束处
    portSTACK_TYPE *pxStack;    //指向任务堆栈起始处
    unsigned portSHORT usStackDepth;    //定义堆栈深度
    signed portCHAR pcTaskName[tskMAX_TASK_NAME_LEN];    //任务名称
    unsigned portCHAR ucPriority;    //任务优先级
    xListItem xGenericListItem;    //用于把TCB插入就绪表或等待链表
    xListItem xEventListItem;    //用于把TCB插入事件链表（如消息队列）
    unsigned portCHAR ucTCBNumber;    //用于记录功能
}tskTCB;

       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。FreeRTOS内核同时支持轮换调度算法，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。