FreeRTOS入門基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)析

FreeRTOS入門-概念介紹

開(kāi)始前，先拋出一個(gè)問(wèn)題：我們?yōu)槭裁葱枰?a target="_blank">操作系統(tǒng)？比如你使用計(jì)算器進(jìn)行加減乘除等運(yùn)算，人按鍵輸入，最后計(jì)算器液晶屏顯示結(jié)果，這只是一個(gè)單任務(wù)的操作，并且人的速度很慢，計(jì)算器大部分時(shí)間都在空閑等人。如果一個(gè)計(jì)算器連出來(lái)10個(gè)鍵盤，讓10個(gè)人同時(shí)使用，這個(gè)時(shí)候就需要一個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)，這么看來(lái)操作系統(tǒng)首先需要一個(gè)調(diào)度器，如上圖，這樣多個(gè)任務(wù)就可以同時(shí)運(yùn)行了，其次還需要對(duì)各個(gè)任務(wù)需要的硬件資源進(jìn)行管理，比如硬盤、內(nèi)存、網(wǎng)卡，另外還需要支持任務(wù)間的通信。如下圖，傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的五大模塊：

1. 操作系統(tǒng)分類

操作系統(tǒng)一般可分為三種基本類型，即批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)。另外其他擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)等。

1.1批處理操作系統(tǒng)

就是把任務(wù)匯總到一塊，按順序排好，然后讓計(jì)算機(jī)一個(gè)一個(gè)處理，這樣計(jì)算機(jī)一次處理一批任務(wù)，空閑的時(shí)間就比較少了。其實(shí)就是把調(diào)度的工作讓人干了，匯總?cè)蝿?wù)是需要人工做的，沒(méi)有調(diào)度這感覺(jué)不是操作系統(tǒng)，這現(xiàn)在已經(jīng)不存在了，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期還有。

1.2分時(shí)操作系統(tǒng)

所謂分時(shí)技術(shù)就是把處理器的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)間片，按時(shí)間片輪流把處理器分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。若某個(gè)作業(yè)在分配給它的時(shí)間片內(nèi)不能完成其計(jì)算，則該作業(yè)暫時(shí)停止運(yùn)行，把處理器讓給其他作業(yè)使用，等待下一輪再繼續(xù)運(yùn)行。由于計(jì)算機(jī)速度很快，作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)得很快，給每個(gè)用戶的感覺(jué)好像是自己獨(dú)占一臺(tái)計(jì)算機(jī)。例如個(gè)人電腦里面的Windows、Linux，手機(jī)里面的安卓等都是分時(shí)操作系統(tǒng)，也是我們說(shuō)的普通操作系統(tǒng)。

1.3實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem，RTOS)是指使計(jì)算機(jī)能及時(shí)響應(yīng)外部事件的請(qǐng)求在規(guī)定的嚴(yán)格時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)設(shè)備和實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地工作的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)從調(diào)度器算法，到中斷響應(yīng)系統(tǒng)，到消息傳遞機(jī)制等所有的核心算法時(shí)間復(fù)雜度都是O（1），它表示系統(tǒng)的響應(yīng)速度不依賴于系統(tǒng)任務(wù)的多少，負(fù)載的輕重，而只依賴于優(yōu)先級(jí)的設(shè)計(jì)，就算當(dāng)前系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，優(yōu)先級(jí)高的事件發(fā)生后，系統(tǒng)還將會(huì)在指定的時(shí)間內(nèi)立即響應(yīng)事件。

這里的時(shí)間限制可以分為兩種情況：如果某個(gè)動(dòng)作必須絕對(duì)地在規(guī)定的時(shí)刻（或規(guī)定的時(shí)間范圍）發(fā)生，則稱為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。例如，飛行器的飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)必須提供絕對(duì)保證，讓某個(gè)特定的動(dòng)作在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。如果能夠接受偶爾違反時(shí)間規(guī)定，并且不會(huì)引起任何永久性的損害，則稱為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)，如飛機(jī)訂票系統(tǒng)、銀行管理系統(tǒng)。

我們AUTOSAR CP里面的RTOS就需要硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。因?yàn)閷?duì)于汽車的控制是需要及時(shí)的，不然可能造成事故，正所謂：人命關(guān)天。

1.4其他操作系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，又出現(xiàn)了許多種操作系統(tǒng)，它們是嵌人式操作系統(tǒng)、個(gè)人操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的各臺(tái)計(jì)算機(jī)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，提供一種統(tǒng)一、經(jīng)濟(jì)而有效的使用各臺(tái)計(jì)算機(jī)的方法，實(shí)現(xiàn)各個(gè)計(jì)算機(jī)之間的互相傳送數(shù)據(jù)。

分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成并滿足下列條件的系統(tǒng)：系統(tǒng)中任意兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)通信方式交換信息；系統(tǒng)中的每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都具有同等的地位，即沒(méi)有主機(jī)也沒(méi)有從機(jī)；每臺(tái)計(jì)算機(jī)上的資源為所有用戶共享；系統(tǒng)中的任意若千臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)，并且還能重構(gòu)；任何工作都可以分布在幾臺(tái)計(jì)算機(jī)上，由它們并行工作、協(xié)同完成。

最后匯總一個(gè)圖：

2.OSEK OS

OSEK OS是一個(gè)為滿足汽車電子可靠性、實(shí)時(shí)性、成本敏感性等需求而打造的實(shí)時(shí)單核操作系統(tǒng)(RTAOS)。具備以下基本特性以及基本系統(tǒng)服務(wù)：

AUTOSAR OS是基于OSEK OS繼承發(fā)展而來(lái)，所以上述的OSEK OS的基本特點(diǎn)在AUTOSAR OS都能夠得到滿足，所以AUTOSAR OS是向后兼容的，也就意味著在OSEK OS上能夠運(yùn)行的應(yīng)用程序同樣也可以在AUTOSAR OS上運(yùn)行。

AUTOSAR OS繼承OSEK OS，在OSEK OS的基礎(chǔ)上又特別明確了AUTOSAR OS至少需要提供的系統(tǒng)服務(wù)如下：

基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度；

及時(shí)的中斷處理的能力；

中斷優(yōu)先級(jí)必定高于task；

通過(guò)StartOS（） 與StartOSHook（）來(lái)創(chuàng)建啟動(dòng)接口；

通過(guò)ShutdownOS() 與ShutdownOSHook來(lái)創(chuàng)建關(guān)機(jī)接口；

能夠在OSEK OS中跑的APP自然也能夠在AUTOSAR OS運(yùn)行，但同時(shí)Autosar os也同時(shí)限制了OSEK OS的一些基本使用；

3.AUTOSAROS

3.1 AUTOSAR OS基本對(duì)象

AUTOSAR OS總共包含以下6大基本對(duì)象：Counter，Alarm，Schedule Table，Task，ISRs，Resource。

這6個(gè)基本對(duì)象必須歸屬于一個(gè)OS Application，可以簡(jiǎn)單理解為OS Application是上述6大基本對(duì)象的容器，而歸屬于同一OS Application的基本對(duì)象則可以互相訪問(wèn)，來(lái)自其他OSApplication的基本對(duì)象則需要通過(guò)配置來(lái)限制性訪問(wèn)。

3.2 Task

大家在面試的時(shí)候被經(jīng)常問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題就是進(jìn)程和線程的區(qū)別，最典型的回答就是進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配的最小單位，比如分配了內(nèi)存地址空間、寄存器、獨(dú)占的虛擬CPU等，線程是CPU調(diào)度的最小單位，線程享用父進(jìn)程的系統(tǒng)資源，但是自己又可以異步的去執(zhí)行。

可惜在RTOS里面由于要求實(shí)時(shí)性，這種異步執(zhí)行需要等待的機(jī)制需要被砍掉，首先沒(méi)有了線程的概念。那么進(jìn)程就是對(duì)應(yīng)RTOS里面的Application，并且這個(gè)Application的資源都是獨(dú)占的，不進(jìn)程一樣跟其他進(jìn)程共享的。例如獨(dú)占一個(gè)真實(shí)的CPU，這里也叫做MCU，因?yàn)樾阅軟](méi)那么強(qiáng)悍，但是很穩(wěn)定。有例如獨(dú)占一塊真實(shí)的內(nèi)存區(qū)域，也就是說(shuō)其資源是啟動(dòng)前就靜態(tài)分配好的，不跟其他Application共享的，這里就是靜態(tài)系統(tǒng)的概念。

而傳統(tǒng)操作系統(tǒng)里面的進(jìn)程就是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)資源共享降低了實(shí)時(shí)性和安全性來(lái)提升資源利用率，在AUTOSAR AP中的微內(nèi)核OS中會(huì)用到，主要支持一些對(duì)安全實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用。

接下來(lái)說(shuō)本章節(jié)的TASK，可以理解為一個(gè)for循環(huán)，順序一遍一遍的去執(zhí)行的列表中的任務(wù)。這些任務(wù)組成了一個(gè)Application。

AUTOSAR OS中存在兩種任務(wù)：

基本任務(wù)(Basic Task)和擴(kuò)展任務(wù)（Extended Task）。

基本任務(wù)則存在以下三種狀態(tài)：

運(yùn)行狀態(tài)(Running)：處于運(yùn)行狀態(tài)的任務(wù)可能被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)或者中斷搶占從而進(jìn)入就緒狀態(tài)，且同一Core中任何時(shí)刻只會(huì)存在一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，任務(wù)運(yùn)行結(jié)束后則將自己掛起進(jìn)入阻塞狀態(tài)；

就緒狀態(tài)(Ready):處于就緒狀態(tài)的任務(wù)由調(diào)度器決定是否啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，且該狀態(tài)時(shí)任務(wù)切換至運(yùn)行狀態(tài)的前提；

阻塞狀態(tài)(Suspend):處于阻塞狀態(tài)的任務(wù)是被動(dòng)的，可以由API函數(shù)或Alarm激活進(jìn)入就緒狀態(tài)；

擴(kuò)展任務(wù)與之相比，則多了一個(gè)等待狀態(tài)(Waiting),解釋如下：

等待狀態(tài)(Waiting)：當(dāng)任務(wù)的運(yùn)行需要等待某一或某些事件被置位時(shí)，任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。

基本任務(wù)與擴(kuò)展任務(wù)的狀態(tài)機(jī)切換如下圖所示：

基本任務(wù)的代碼示例如下：

擴(kuò)展任務(wù)的代碼示例如下

Task調(diào)度策略

AUTOSAR OS可根據(jù)各個(gè)任務(wù)的可搶占屬性配置，來(lái)提供不同的調(diào)度策略，調(diào)度策略可分為以下三種：

完全搶占式：OS所有任務(wù)均是可搶占類型；

非搶占式：OS中所有任務(wù)均是不可搶占的；

混合搶占式：OS部分任務(wù)是可搶占類型，部分任務(wù)是不可搶占類型；

3.3 Counter

Counter概念的引入是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件計(jì)數(shù)器以及軟件計(jì)數(shù)器的管理，為Alarm與Schedule table提供支持。即多個(gè)Alarm可以共用一個(gè)Counter，一個(gè)Schedule Table只能由一個(gè)Counter來(lái)驅(qū)動(dòng)。Counter按照AUTOSAR定義可分為以下兩種：

Hardware Counter:該Counter的增加由硬件外設(shè)驅(qū)動(dòng)，如Gpt或者timer等；

Software Counter：該Counter的增加通過(guò)調(diào)用API函數(shù)IncrementCounter來(lái)實(shí)現(xiàn)，且每次只能增加1；

基本原則：優(yōu)先使用Hardware Counter，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)Task的激活狀況來(lái)減少無(wú)意義的時(shí)鐘中斷；

3.4 Alarm

在計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上，AUTOSAR OS為應(yīng)用軟件提供了鬧鐘機(jī)制，多個(gè)鬧鐘可以連接一個(gè)Counter，當(dāng)?shù)竭_(dá)Alarm所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器設(shè)定值時(shí)，則可以激活一個(gè)任務(wù)，設(shè)定一個(gè)event，調(diào)用callback或者增加計(jì)數(shù)器等功能，但只能是一對(duì)一。

不能像Schedule Table那樣，能夠在Expiry point同時(shí)設(shè)定多個(gè)Task或者多個(gè)Event，這也是為什么引入Schedule Table的原因。

一個(gè)軟件Counter +多個(gè)Alarm隊(duì)列就可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)定義的任務(wù)激活機(jī)制。但隨著Schedule Table的引入，因此一般建議能用Schedule Table就不要用Alarm。

3.5 Schedule Table

如上Alarm所述，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值依次達(dá)到各個(gè)Alarm設(shè)定的計(jì)數(shù)值時(shí)，各個(gè)Alarm被觸發(fā)，但很難保證各個(gè)Alarm有特定的時(shí)間間隔，且每個(gè)Alarm只能激活一個(gè)Task或者Event，所以需要多個(gè)Alarm來(lái)協(xié)作實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻觸發(fā)多個(gè)Task或者Event，因此ScheduleTable應(yīng)運(yùn)而生！

Schedule Table會(huì)定義一系列終結(jié)點(diǎn)(Expiry Point)，且每個(gè)調(diào)度表都有一個(gè)以Tick為單位的持續(xù)時(shí)間(Duration)。每個(gè)終結(jié)點(diǎn)則是以Tick為單位的距離起始點(diǎn)的偏移量(Offset)，在每個(gè)終結(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)Task或者Event的設(shè)置。

與報(bào)警器類似，一個(gè)調(diào)度表只能由一個(gè)Counter驅(qū)動(dòng)，同時(shí)調(diào)度表存在以下兩種調(diào)度方式：

單次執(zhí)行(Single-Shot):調(diào)度表啟動(dòng)之后 只運(yùn)行一次，到達(dá)調(diào)度表終點(diǎn)則終止，即每個(gè)終結(jié)點(diǎn)只運(yùn)行一次；

循環(huán)執(zhí)行(Repeating):調(diào)度表啟動(dòng)后可反復(fù)執(zhí)行，到達(dá)調(diào)度表終點(diǎn)后重頭開(kāi)始執(zhí)行，則每個(gè)終結(jié)點(diǎn)會(huì)被周期性的執(zhí)行，一般情況下激活任務(wù)采用此模式。

如下圖10所示，較為清晰了描述了調(diào)度表中Expiry Point與Task，Event激活之間的時(shí)序關(guān)系。

如下圖所示，則較為清晰的表現(xiàn)了Counter，Schedule Table以及Alarm三者之間的關(guān)系。

3.6 ISRs

在AUTOSAR中定義了兩類中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine)為：

一類中斷(CategoryI)與二類中斷(Category)。

兩者之間的區(qū)別定義如下：

Categoty I：此類中斷服務(wù)程序不能夠使用OS提供的系統(tǒng)服務(wù)，當(dāng)中斷執(zhí)行完成之后則會(huì)重新跳轉(zhuǎn)至產(chǎn)生中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行，不會(huì)影響到任務(wù)的執(zhí)行，因此占用系統(tǒng)資源較少。

Category II：該類中斷則可以調(diào)用OS系統(tǒng)服務(wù)，如激活任務(wù)或者設(shè)置事件等。

在AUTOSAR OS中，中斷的優(yōu)先級(jí)始終高于任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，即最低優(yōu)先級(jí)的中斷都可以打斷最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，即使該任務(wù)不可搶占也不例外。因此，中斷服務(wù)子程序的執(zhí)行時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.7 Resource Management

Resouce作為OS調(diào)度過(guò)程中一個(gè)十分重要的對(duì)象，Resource管理就顯得尤為重要。資源管理就是為了協(xié)調(diào)具有不同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)任務(wù)或者中斷對(duì)共享內(nèi)存（如內(nèi)存或者硬件等）的并發(fā)訪問(wèn)。

不過(guò)幸運(yùn)的是AUTOSAR OS采用上述的優(yōu)先級(jí)天花板模式來(lái)避免任務(wù)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)以及死鎖問(wèn)題的發(fā)生，即資源的上限優(yōu)先級(jí)必須高于所有該資源的任務(wù)以及中斷的優(yōu)先級(jí)，但是應(yīng)低于不訪問(wèn)該資源的任務(wù)的最低優(yōu)先級(jí)。

其中為了保護(hù)共享資源而提出的鎖機(jī)制-自旋鎖(Spin Lock)。該自旋鎖一般用于多核操作系統(tǒng)解決資源互斥的問(wèn)題。當(dāng)內(nèi)核控制必須訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或進(jìn)入臨界區(qū)是，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋所的保持者已經(jīng)釋放了該鎖，從而達(dá)到某共享資源的互斥作用。

4. AS代碼中的RTOS

AS代碼：里面是有RTOS的，是作者自己寫(xiě)的一個(gè)叫做askar，同時(shí)里面還有FreeRTOS等十個(gè)左右的RTOS，下次文章再介紹。

后記：

最比較忙近停更了一段時(shí)間，但是公眾號(hào)的事一直在心里。9月是開(kāi)學(xué)季，也是學(xué)習(xí)的好時(shí)節(jié)，接下來(lái)再接再厲，先寫(xiě)一系列OS入門的文章，直接介紹五六種OS的入門資料，絕對(duì)夠猛夠有料，敬請(qǐng)期待。

審核編輯：劉清