中國嵌入式系統產業(yè)聯盟/北京麥克泰軟件技術公司 何小慶

引 言

最近大家都在談論物聯網，人人都在做智能硬件，FreeRTOS也似乎被推到了風口浪尖，很多MCU芯片公司的開發(fā)板、SDK開發(fā)套件也都移植到了FreeRTOS上。著名的智能手表Pebble OS的內核使用了FreeRTOS，博通的WICED Wi-Fi SDK也推薦使用FreeRTOS，到底是什么讓FreeRTOS火起來了？

1 FreeRTOS的起源

FreeRTOS項目是由Richard Barry在英國創(chuàng)建的。Richard大學時學習的是計算機實時系統專業(yè)，他參與創(chuàng)建過幾個公司，主要專注于工業(yè)自動化、航天和仿真市場。Richard現在是Real Time Engineers Ltd的技術總監(jiān)、擁有者和FreeRTOS項目的維護者。

FreeRTOS最初的目標是提供一個免費的、容易使用的RTOS解決方案。無論使用Windows還是Linux，都不需要特別關注源代碼文件路徑在哪里，或者調試環(huán)境如何配置，FreeRTOS都很容易構建和運行。

FreeRTOS項目大約開始于2003年，每一個版本在正式發(fā)布zip壓縮包之前，都經過完整的測試以確保產品的穩(wěn)定，而且壓縮包里面包含一個簡單的入門項目示例，幫助初學者學習和理解。

2 FreeRTOS產品

FreeRTOS是一個RTOS（實時多任務操作系統）的內核，支持近60家公司的140種 MCU（微控制器）和MPU（微處理器），涵蓋8、16、32位架構，FreeRTOS支持開發(fā)者使用IAR、GCC和Keil等編譯器預編譯的工程項目。最近FreeRTOS自己開發(fā)了“FreeRTOS＋TCP”和“FreeRTOS＋FAT”兩個內核之上的附加模塊（稱為中間件），這兩個產品在FreeRTOS官網FreeRTOS.org的FreeRTOS lab頁面中可以找到。

目前最新的FreeRTOS壓縮載包的版本是8.2.2，壓縮包解壓后有以下幾個文件目錄：

①FreeRTOS/source包含FreeRTOS實時內核的源代碼；

②FreeRTOS/demo包含了FreeRTOS內核針對不同嵌入式處理器和編譯器的官方移植和demo項目，比如CORTEX＿LPC1768＿IAR，能夠支持 NXP Cortex LPC1768 MUC使用IAR EW ARM編譯器項目工程文件；

③FreeRTOS-Plus包含FreeRTOS和第三方的中間件，包括：CLI（命令行）、FAT-SL（標準文件庫）、IO（POSIX標準外設庫）、NABTO（點對點連接云服務）、UDP、Trace（內核跟蹤分析）和CYASSL（嵌入式SSL）等模塊，開發(fā)者需要注意的是上面產品的授權方式可能與FreeRTOS不同，請仔細閱讀對應代碼目錄下的授權文件；

④FreeRTOS-Plus/Demo目錄下包含了FreeRTOS中間件預配置好的工程文件，有些工程文件需要運行在Windows仿真環(huán)境下。

某些第三方的中間件沒有包括在FreeRTOS壓縮包內，比如Interniche TCP/IP協議棧軟件，它包括IPV4/V6和各種網絡應用（比如 HTTP/SNMP/FTP）的源代碼和二進制版本。FreeRTOS＋Trace是瑞典Percepio公司的商業(yè)軟件，提供FreeRTOS應用運行時的診斷功能，見圖1。FreeRTOS壓縮包里面提供的是一個Windwos仿真環(huán)境的免費版本。WITTENSTEIN High Integrity Systems（WHIS）是一家英國公司，它是Real Time Engineers Ltd（FreeRTOS）官方的商業(yè)合作伙伴，他們開發(fā)的SafeRTOS是基于FreeRTOS技術、經過安全認證的實時操作系統內核，這些安全認證包括EC 61508、EN62304和FDA 510（k）等。

3 FreeRTOS的授權方式

FreeRTOS內核采用的是GPL授權方式，但它是一個修改后的GPL協議。FreeRTOS的GPL授權給了這樣一個例外條件：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核和內核調度，也沒有對任務、任務通信和信號量等內核功能作出改動，這些模塊可以不按照GPL方式公開源代碼[1]。與通用的GPL條款不同的是：開發(fā)者、芯片公司和設備制造商不會被要求公開自己與FreeRTOS內核不直接相關模塊（稱為獨立模塊）的源代碼，如應用、驅動和中間件，見圖2。Linux內核采用的就是通用GPL條款。

圖1 FreeRTOS＋Trace的診斷功能

圖2 FreeRTOS內核授權方式參考

FreeRTOS demo目錄下的第三方軟件的授權，不在FreeRTOS內核授權范圍，請閱讀相關目錄下的授權文件，比如前面提到的FreeRTOS＋Trace就是一個商業(yè)軟件，只不過在壓縮包里面提供了一個免費版本。還有一些在FreeRTOS內核源代碼里面，既不屬于FreeRTOS版權，又不屬于GPL授權范圍，如芯片公司頭文件（header file）、外設驅動（如SPI、中斷和timer等）和編譯器公司的頭文件（如IAR和keil），開發(fā)者和設備制作商需要聯系芯片公司了解他們的授權方式和要求。μIP TCP/IP協議的作者是Adam Dunkels，作為開源軟件，授權的細節(jié)可以從μIP的源代碼文件夾里面獲得。lwIP TCP/IP協議的擁有者是瑞典計算機科學研究所，也是一個開源軟件，授權細節(jié)可以從lw IP的源代碼文件夾里面獲得。

另外，FreeRTOS的授權聲明中還包括了以下條款：除非得到Real Time Engineers Ltd公司允許，任何人不得用于以操作系統運行和編譯時間測量為目標的出版物，關于這點研究機構和高校應該尤為注意。

為了減少一些企業(yè)和設備制造商對于GPL授權條款、技術支持、服務和其他知識產品等有關的法律問題，FreeRTOS還有一種商業(yè)授權版本（OpenRTOS）可供用戶選擇，OpenRTOS由英國 WITTENSTEIN High Integrity Systems公司提供授權和技術支持。表1給出了FreeRTOS和OpenRTOS的比較，據悉國內已經有汽車電子企業(yè)在電動汽車項目中購買OpenRTOS商業(yè)授權。

關于設備制造商使用了FreeRTOS之后，如何遵循GPL原則發(fā)布源代碼和聲明文件，可以參考Pebble公司的Pebble OS。Pebble是一家美國著名的智能手表公司，它開發(fā)的智能手表操作系統Pebble OS內核是基于FreeRTOS的，因為智能手表App任務權限管理的需要，修改了內核本身的一些功能（如MPU的管理方式和軟中斷等內核功能），因此必須公開修改過的Pebble OS內核以及相應的說明文檔[2]。

結 語

FreeRTOS是一個非常容易使用的RTOS，也得到了許多流行的 MCU芯片、開發(fā)板和工具的支持。筆者在2015年春季給北京航空航天大學軟件學院物聯網技術與應用專業(yè)開設的《可穿戴系統設計與實現》課程中，就講授了FreeRTOS。Pebble智能手表作為使用了FreeRTOS的典型可穿戴設備成為課堂案例，課程中的實驗平臺采用了STM32 Nucleo開發(fā)板（Pebble使用的是STM32 Cortex-M3），Nucleo軟件中間件就包含FreeRTOS移植好的源代碼和應用工程項目。

表1 FreeRTOS和OpenRTOS的比較

博通公司的WICED Wi-Fi SDK，還有其他公司物聯網操作系統也在使用FreeRTOS[3]，實時性和尺寸小是FreeRTOS重要的技術因素，采用GPL授權方式，更符合互聯網開放和共享精神，應該是更重要的原因。FreeRTOS修改后的GPL條款考慮了芯片、開發(fā)者和設備商隱私要求，更加合理和富有靈活性，這與Android OS授權方式有著異曲同工之處[4]。

[1]License detail[EB/OL].[2015-09].http：//www.freertos.org/a00114.html.

[2]FreeRTOS Code Revisions From Pebble[EB/OL].[2015-09].http：//developer.getpebble.com/blog/2014/05/23/FreeRTOS-Modifications-From-Pebble/.

[3]何小慶.物聯網操作系統淺析[J].單片機與嵌入式系統應用，2015（1）.

[4]何小慶.Linux和Android：哪個是你下一個設計的正確選擇？[EB/OL].[2015-09].http：//www.eefocus.com/allenhe/blog/13-03/292378＿84176.html.