FreeRTOS

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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

  • FreeRTOS能在小RAM单片机上运行。FreeRTOS操作系统是完全免费的开源操作系统,具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特点,可以方便地移植到各种单片机上运行

FreeRTOS通用架构

FreeRTOS Architecture

FreeRTOS 架构

  • 一个FreeRTOS 系统主要由BSP驱动+内核+组件组成(如上图)。内核包含多任务调度、内存管理、任务间通信的功能,组件包含网络协议、外设支持等。

  • FreeRTOS内核是可剪裁的,组件也是可选的。由于嵌入式应用往往对内存空间的要求十分苛刻,所以一个可剪裁的RTOS对于嵌入式应用非常重要。这使得FreeRTOS的核心代码只有9000行左右。

  • Armino平台FreeRTOS通用架构使用的是内核代码路径: components/os_source/freertos_v10

功能和特点

  • 用户可配置内核功能

  • 多平台的支持

  • 提供一个高层次的信任代码的完整性

  • 目标代码小,简单易用

  • 遵循MISRA-C标准的编程规范

  • 强大的执行跟踪功能

  • 堆栈溢出检测

  • 没有限制的任务数量

  • 没有限制的任务优先级

  • 多个任务可以分配相同的优先权

  • 队列,二进制信号量,计数信号灯和递归通信和同步的任务

  • 优先级继承

  • 免费开源的源代码

FreeRTOS 小结

  • 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。

  • 在嵌入式领域,FreeRTOS是不多的同时具有实时性,开源性,可靠性,易用性,多平台支持等特点的嵌入式操作系统。目前,FreeRTOS已经发展到支持包含X86,Xilinx,Altera等多达30种的硬件平台,其广阔的应用前景已经越来越受到业内人士的瞩目。

FreeRTOS SMP架构

SMP简介

  • Armino平台FreeRTOS SMP架构使用的是内核代码路径: components/os_source/freertos_smp

  • 当涉及到多处理器系统(Multiprocessor Systems)时,Symmetric Multiprocessing(SMP)是一种常见的架构。

  • BK7258 支持FreeRTOS SMP架构

  • 以下是对SMP的基本概念、在FreeRTOS中实现SMP的目的和优势的简要介绍:

Symmetric Multiprocessing(SMP)的基本概念:

  1. 多处理器系统(Multiprocessor Systems): - 多处理器系统是由多个处理器核心组成的计算机系统。每个处理器核心都能够独立执行任务和运行程序。

  2. 对称性(Symmetric): - SMP系统中,所有处理器核心都具有对称的地位,即它们都能够执行相同的任务和访问相同的系统资源。

  3. 共享内存(Shared Memory): - SMP系统中的处理器核心通过共享相同的内存空间来进行通信。这使得数据共享更加容易,但也需要采取措施来防止竞态条件等问题。

在FreeRTOS中实现SMP的目的和优势:

  1. 提高性能: - SMP允许多个处理器核心同时执行任务,从而提高系统整体性能。特别是在处理大量并行任务时,SMP能够有效地分担负载,加速系统的响应速度。

  2. 任务并行执行: - 在SMP系统中,不同的处理器核心可以独立执行不同的任务。这种并行性有助于提高系统的吞吐量和响应能力。

  3. 更好的资源利用: - SMP允许系统在不同的处理器核心上同时执行任务,有效地利用了硬件资源。这对于处理实时任务和对性能要求较高的应用程序非常重要。

  4. 系统灵活性: - SMP架构使系统更具灵活性,可以根据需要扩展处理能力。增加处理器核心的数量可以简化系统的升级和维护过程。

  5. 实时性能: - 对于实时操作系统如FreeRTOS,SMP的实现可以提供更好的实时性能,确保任务在规定的时间内得到执行,从而满足实时系统的要求。

在FreeRTOS中实现SMP需要考虑处理器间同步、共享资源管理和任务调度等方面的挑战,但通过正确的实现,可以显著提高系统的性能和响应能力。

在FreeRTOS SMP架构中资源同步:

SMP Architecture Resource
SMP Architecture Resource Synchronization

SMP 架构共享资源同步

  1. Task间共享资源同步

    • 操作系统的信号量(Semaphore)

    • 操作系统的同步锁(Mutex)

    • 关调度

  2. ISR间共享资源同步

    • 自旋锁(SpinLock)

  3. Task/ISR间共享资源同步

    • 自旋锁(SpinLock)

在FreeRTOS SMP架构中API介绍:

  • 创建smp task到指定cpu:

    bk_err_t rtos_create_thread_with_affinity( beken_thread_t *thread,
                                                uint32_t affinity,
                                                uint8_t priority,
                                                const char* name,
                                                beken_thread_function_t function,
                                                uint32_t stack_size,
                                                beken_thread_arg_t arg );
    
  • 创建smp task到cpu0/cpu1:

    bk_err_t rtos_smp_create_thread( beken_thread_t* thread, uint8_t priority, const char* name,
                        beken_thread_function_t function, uint32_t stack_size, beken_thread_arg_t arg );
    
  • 创建task指定到cpu0:

    bk_err_t rtos_create_thread( beken_thread_t* thread, uint8_t priority, const char* name,
                        beken_thread_function_t function, uint32_t stack_size, beken_thread_arg_t arg );
    
    bk_err_t rtos_core0_create_thread( beken_thread_t* thread, uint8_t priority, const char* name,
                        beken_thread_function_t function, uint32_t stack_size, beken_thread_arg_t arg );
    
  • 创建task指定到cpu1:

    bk_err_t rtos_core1_create_thread( beken_thread_t* thread, uint8_t priority, const char* name,
                        beken_thread_function_t function, uint32_t stack_size, beken_thread_arg_t arg );
    
  • 同步信号量:

    bk_err_t rtos_init_semaphore( beken_semaphore_t* semaphore, int maxCount );
    bk_err_t rtos_init_semaphore_ex( beken_semaphore_t* semaphore, int maxCount, int init_count);
    bk_err_t rtos_get_semaphore( beken_semaphore_t* semaphore, uint32_t timeout_ms );
    int rtos_get_semaphore_count( beken_semaphore_t* semaphore );
    int rtos_set_semaphore( beken_semaphore_t* semaphore );
    bk_err_t rtos_deinit_semaphore( beken_semaphore_t* semaphore );
    
  • 同步锁:

    bk_err_t rtos_init_mutex( beken_mutex_t* mutex );
    bk_err_t rtos_trylock_mutex(beken_mutex_t *mutex);
    bk_err_t rtos_lock_mutex( beken_mutex_t* mutex );
    bk_err_t rtos_unlock_mutex( beken_mutex_t* mutex );
    bk_err_t rtos_deinit_mutex( beken_mutex_t* mutex );
    
  • 自旋锁API及Demo:

    uint32_t rtos_enter_critical( void );
    void rtos_exit_critical( uint32_t state );
    
    uint32_t state = rtos_enter_critical();
    // Critical section: access to shared resources
    rtos_exit_critical(state);
    

在FreeRTOS SMP架构工程配置:

  • BK7258 默认app工程是AMP架构

  • BK7258 smp工程是FreeRTOS SMP架构, 工程配置如下:

    CONFIG_CPU_CNT=2
    CONFIG_SOC_SMP=y
    CONFIG_SOC_BK7258_SMP_TEMP=y
    
    CONFIG_FREERTOS_SMP=y
    CONFIG_FREERTOS_SMP_TEMP=y
    CONFIG_FREERTOS_USE_TICKLESS_IDLE=0
    
    CONFIG_OS_SMP_AFFINITY_DEMO=y
    
    CONFIG_CPU0_SPE_RAM_SIZE=0xA0000
    
    CONFIG_CACHE_ENABLE=n