FreeRTOS與μC/OS—III內(nèi)核分析及選型研究

楊玥 邵浩然 張索非

【摘 要】FreeRTOS與μC/OS-III是當今主流實時操作系統(tǒng)的代表，使用量位于嵌入式應用前列。從任務管理、同步與通信、時間管理及軟件定時器、內(nèi)存管理、中斷管理等方面分析FreeRTOS與μC/OS-III內(nèi)核。介紹了FreeRTOS和μC/OS-III授權(quán)方式，并說明了μC/OS-III符合行業(yè)認證標準情況。分析了行業(yè)因素、自身開發(fā)實力、可利用資源以及成本等方面的影響，為實時操作系統(tǒng)選型提供思路。

【關(guān)鍵詞】FreeRTOS；μC/OS-III；實時操作系統(tǒng)

中圖分類號： TP316.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0011-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.005

【Abstract】Today，F(xiàn)reeRTOS and μC/OS-III are the representatives of the mainstream real-time operating systems， and they are used by many embedded projects.FreeRTOS and μC/OS-III kernels are analyzed from the aspects of task management，synchronization and communication，time management and software timer，memory management and interrupt management.The licensing methods of FreeRTOS and μC/OS-III are introduced，and the situation of μC/OS-III compliance with some certification standards is explained.This paper analyzes the influence of industry factors， development ability，available resources and cost，and provides ideas for the selection of real-time operating system.

【Key words】FreeRTOS；μC/OS-III；RTOS

0 引言

嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)在當今發(fā)展迅速，嵌入式設備滲透到生產(chǎn)、生活的方方面面。很多嵌入式系統(tǒng)也是實時系統(tǒng)，實時系統(tǒng)不僅要求計算結(jié)果正確，而且要求結(jié)果具有時效性[1]。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件，其硬件主要依賴各種類型處理器，包括微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、微處理器（Microprocessor Unit，MPU）、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等。

嵌入式系統(tǒng)軟件，對于簡單系統(tǒng)控制邏輯不復雜、計算復雜度較小，可以采用前臺/后臺系統(tǒng)（Foreground/Background System）[2]，即一個應用包含一個無限循環(huán)，這個循環(huán)調(diào)用模塊執(zhí)行相應操作（后臺），而中斷服務例程（Interrupt Service Routine，ISR）處理異步事件（前臺）。顯然對于復雜的嵌入式實時系統(tǒng)僅采用前臺/后臺系統(tǒng)設計方式是無法實現(xiàn)的，因此需要采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（Embedded Real-time Operation System，RTOS）。RTOS是嵌入式系統(tǒng)中的核心軟件，包括系統(tǒng)內(nèi)核、底層驅(qū)動軟件、設備驅(qū)動接口、通信協(xié)議處理軟件等，甚至還包括交互界面[3]。RTOS用于管理處理器的時間和資源，采用RTOS使得應用軟件開發(fā)更加容易，軟件便于維護的同時提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

當前的RTOS種類很多，比較常用的有FreeRTOS、μC/OS-II（III）、RT Linux、VxWorks等等。FreeRTOS是開源軟件，而μC/OS-II（III）是商業(yè)軟件。FreeRTOS和μC/OS-III用戶數(shù)量領先[4]并且各具特色，因此針對這兩種嵌入式實時操作系統(tǒng)進行分析，對新入門的嵌入式軟件開發(fā)人員理解RTOS內(nèi)核有一定幫助。嵌入式應用軟件開發(fā)之初還存在RTOS選型問題，論文通過對影響選型的幾個因素進行分析，為RTOS選型提供依據(jù)。

1 FreeRTOS、μC/OS-III內(nèi)核分析

RTOS內(nèi)核的基本功能包括任務管理、同步與通信、時間管理及軟件定時器、內(nèi)存管理、中斷管理等。下面在閱讀文獻[5，6]并理解兩種操作系統(tǒng)內(nèi)核源碼的基礎上從各個功能方面分析FreeRTOS和μC/OS-III內(nèi)核。

1.1 任務管理

“任務（task）”是RTOS中的術(shù)語，這里的“任務”類似于通用操作系統(tǒng)中的進程或線程[7]。RTOS中任務管理包括任務創(chuàng)建、改變?nèi)蝿諆?yōu)先級、任務刪除、任務掛起、任務恢復，μC/OS-III和FreeRTOS都有相應函數(shù)用于任務管理。FreeRTOS的任務創(chuàng)建函數(shù)xTaskCreate（）有6個參數(shù)：任務函數(shù)、任務名字、任務堆棧大小、傳遞給任務函數(shù)的參數(shù)、任務優(yōu)先級、任務句柄。然而，μC/OS-III的任務創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）有13個參數(shù)，這些參數(shù)中除了與xTaskCreate（）前5個基本相同的參數(shù)外，還有任務控制塊指針、任務堆棧基地址指針、堆棧水印限制、任務可接受消息最大數(shù)量、時間份額、用作任務控制塊擴展的內(nèi)存地址指針、選項標志位、錯誤代碼指針。任務創(chuàng)建函數(shù)參數(shù)數(shù)量的不同其實反映了兩種RTOS實現(xiàn)細節(jié)的差異。

嵌入式實時系統(tǒng)通常運行多個任務，因此存在“調(diào)度”問題，這也是內(nèi)核的主要職責之一，即決定輪到哪個任務運行。調(diào)度機制分為優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，F(xiàn)reeRTOS與μC/OS-III內(nèi)核調(diào)度都支持這兩種機制。對于不同優(yōu)先級任務采用優(yōu)先級搶占式調(diào)度，而對于相同優(yōu)先級任務采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，并且對于優(yōu)先級數(shù)量、相同優(yōu)先級任務數(shù)量都不做限制。

1.2 同步與通信

應用系統(tǒng)包含若干任務和ISR，任務之間、任務與ISR以及ISR之間必須協(xié)調(diào)配合，為此RTOS提供任務同步與通信機制。FreeRTOS和μC/OS-III內(nèi)核提供的同步與通信機制如表1所示。

表1中“√”表示具有該項機制，“╳”表示無該項機制。雖然從表1中可以看出μC/OS-III沒有郵箱功能，但是μC/OS-III內(nèi)核設計人員認為不需要郵箱，因為可以利用其它機制實現(xiàn)與郵箱等同的功能。

1.3 時間管理及軟件定時器

操作系統(tǒng)都需要一個系統(tǒng)時鐘，每個系統(tǒng)時鐘周期都會觸發(fā)內(nèi)核執(zhí)行一些系統(tǒng)調(diào)用。處理器硬件提供系統(tǒng)節(jié)拍定時器，英文名字為SysTick，內(nèi)核則有ISR完成相應操作。此外，內(nèi)核還必須維持相對時間和日歷時間，而這些都屬于內(nèi)核時間管理的范疇。FreeRTOS和μC/OS-III內(nèi)核都有相應函數(shù)實現(xiàn)獲取當前節(jié)拍、設置節(jié)拍、相對延時、絕對延時等功能。

處理器都有硬件定時器，雖然功能強大，但是數(shù)量受限。FreeRTOS和μC/OS-III內(nèi)核提供軟件定時器，與硬件定時器或計數(shù)器沒有關(guān)系。相比于硬件定時器，軟件定時器的定時精度不太高，但是對于普通的、精度要求不高的周期性處理任務足夠了。FreeRTOS和μC/OS-III內(nèi)核對軟件定時器的絕對數(shù)量沒有限制，僅僅受限于內(nèi)存大小，因為軟件定時器需要占用一定的內(nèi)存。

1.4 內(nèi)存管理

應用程序可以使用標準C編譯器提供的malloc（）和free（）函數(shù)分配和釋放動態(tài)內(nèi)存，但是在小型嵌入式實時系統(tǒng)中使用這兩個函數(shù)比較危險，最終可能因為碎片而無法獲得單個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。因此，μC/OS-III和FreeRTOS都有替代函數(shù)用于內(nèi)存管理，但是兩者思路和方法又有所不同。

在μC/OS-III中將一片連續(xù)內(nèi)存區(qū)域作為一個分區(qū)，每個分區(qū)又分成整數(shù)個相同大小的內(nèi)存塊。一個應用可以有多個內(nèi)存分區(qū)，每個分區(qū)有不同數(shù)量的內(nèi)存塊，不同分區(qū)的內(nèi)存塊大小可以不同。應用程序能夠基于需求獲得不同大小的內(nèi)存塊，但是特定內(nèi)存塊釋放時必須還回到分配它的分區(qū)。這種內(nèi)存管理方法不會產(chǎn)生碎片，除非程序運行溢出內(nèi)存塊。

而FreeRTOS內(nèi)核設計者認為：不同嵌入式系統(tǒng)對于存分配和時序要求不同，某個具體的動態(tài)內(nèi)存分配方案僅適用于一部分應用。因此，F(xiàn)reeRTOS將動態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)從內(nèi)核代碼庫中移除，使得內(nèi)存管理成為可移植層的一部分，允許應用程序編寫者提供特定的動態(tài)內(nèi)存管理實現(xiàn)代碼。此外，F(xiàn)reeRTOS提供了5個實現(xiàn)案例，分別對應5個不同的內(nèi)存分配機制和算法。

1.5 中斷管理

中斷是硬件機制，用于通知處理器發(fā)生了異步事件。當處理器識別到中斷，保護現(xiàn)場并跳轉(zhuǎn)到ISR中執(zhí)行。ISR處理完事件，要么返回原先被中斷的任務繼續(xù)執(zhí)行，要么執(zhí)行更高優(yōu)先級的任務。處理器通過開、關(guān)中斷從而達到響應、忽略中斷的目的。

在實時環(huán)境中，內(nèi)核最重要指標之一是總的關(guān)中斷時間。中斷關(guān)閉時間盡可能短，因為關(guān)中斷可能會影響中斷響應時間并導致中斷信號丟失。然而，實時系統(tǒng)中進入臨界區(qū)必須關(guān)閉中斷。另一個方面，ISR盡可能短，它的主要作用最好只是發(fā)送信號或者消息給相應任務去處理具體事務，從而減少中斷處理時間。此外，某些處理器支持多個中斷優(yōu)先級并允許中斷嵌套，還有處理器所有中斷的向量對應唯一的中斷處理程序，有些則每個中斷向量對應一個中斷處理程序。

FreeRTOS和μC/OS-III不強加特定的事件處理策略于應用設計，但是提供一組函數(shù)和機制使應用開發(fā)工程師以簡單和可維護的方式實現(xiàn)某種中斷管理策略。μC/OS-III內(nèi)核提供了從ISR向任務發(fā)送信號、標志、消息的函數(shù)，而發(fā)送模式有兩種：直接發(fā)布和延遲發(fā)布。FreeRTOS則提供延遲中斷處理機制，即ISR僅記錄中斷原因并清除中斷，而大量與中斷相關(guān)的處理則通知相應任務完成，利用系統(tǒng)函數(shù)提高該任務的優(yōu)先級，從而保證在中斷退出后該任務最先得到執(zhí)行。

2 版權(quán)及認證

2.1 內(nèi)核、中間件版權(quán)

FreeRTOS內(nèi)核是開源軟件，內(nèi)核采用GPL授權(quán)方式，并做了修改給出一個例外條件[8]：“即這些獨立模塊如果使用的是FreeRTOS API與FreeRTOS進行通信，并且這些獨立模塊不涉及內(nèi)核和內(nèi)核調(diào)度，也沒有對任務、任務通信和信號量等內(nèi)核功能作出改動，這些模塊可以不按照GPL方式公開源代碼?！盕reeRTOS還開發(fā)了附在內(nèi)核上的中間件FreeRTOS+TCP和FreeRTOS+FAT，這些同樣是開源軟件。而其他第三方公司開發(fā)的中間件，其授權(quán)不在FreeRTOS內(nèi)核授權(quán)范圍，授權(quán)方式由軟件開發(fā)方確定。

μC/OS系列RTOS內(nèi)核是商用軟件產(chǎn)品，Micrium公司對其擁有知識產(chǎn)權(quán)。這些產(chǎn)品以源代碼方式提供給客戶，具有極大的適用性。但是，該產(chǎn)品不是免費軟件，也不是開源軟件，因此，不能免費使用。Micrium公司還提供μC/OS相關(guān)中間件μC/GUI、μC/FS、μC/TCP-IP、μC/USB、μC/Probe等，這些也是商業(yè)軟件。

2.2 認證

FreeRTOS內(nèi)核沒有經(jīng)過認證，然而FreeRTOS內(nèi)核衍生出另一個系統(tǒng)SAFERTOS支持廣泛的國際設計安全標準，但是SAFERTOS是商用軟件。

μC/OS-III內(nèi)核符合航空電子設備DO-178B Level E至Level A、工業(yè)控制IEC 61508 SIL 3、醫(yī)藥IEC 62304 Class A到Class C[FDA 510（k）]的認證標準。

3 嵌入式實時操作系統(tǒng)選型考慮因素

從以上分析來看，μC/OS-III和FreeRTOS作為RTOS內(nèi)核，具備的功能基本相當。雖然不盡相同，但是純粹從技術(shù)角度選擇哪一種操作系統(tǒng)并沒有太大差別。因此，行業(yè)因素、自身開發(fā)實力、可利用資源以及成本等方面成為選型的決定因素。

a）行業(yè)因素

除了通用產(chǎn)品，對于某些特定的行業(yè)應用產(chǎn)品，需要調(diào)查了解這些行業(yè)產(chǎn)品需要遵守哪些標準？需要做哪些認證？獲得這些信息后，對照μC/OS-III和FreeRTOS所獲得認證以及遵守的標準，然后做出選擇。當然，行業(yè)中的主流選擇也應該是考慮因素之一。

b）自身開發(fā)實力

如果自身開發(fā)能力有限，需要技術(shù)支持無疑需要選擇商業(yè)軟件μC/OS-III。而自主開發(fā)能力強，同時希望節(jié)省軟件許可費用，可以選擇開源FreeRTOS。開源軟件沒有技術(shù)支持，因此對自身技術(shù)實力要求較高。

c）可利用資源

對于產(chǎn)品開發(fā)，盡可能利用現(xiàn)有參考案例的設計代碼、操作系統(tǒng)附加組件或者第三方組件，從而能夠壓縮開發(fā)周期，盡早將產(chǎn)品推向市場。因此，開發(fā)具體產(chǎn)品時優(yōu)選具有更多可利用資源的RTOS。

d）成本

成本包括多個方面，軟件許可費用僅是其中一部分，其他方面還應該包括開發(fā)時間成本、影響產(chǎn)品上市時間的間接成本。

4 結(jié)束語

FreeRTOS和μC/OS-III是當今主流的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，從內(nèi)核功能角度對這兩種操作系統(tǒng)進行分析可以看出兩者實現(xiàn)思想和方式上的異同。因為FreeRTOS是開源軟件，而μC/OS-III是商業(yè)軟件，所以兩者的授權(quán)方式不同，μC/OS-III還符合多種行業(yè)認證標準。兩個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核雖然有差異，但是選型時應該主要考慮行業(yè)因素、自身開發(fā)實力、可利用資源以及成本等方面。

【參考文獻】

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