Triển khai hệ điều hành nhúng thời gian thực FreeRTOS trên vi điều khiển ARM AT91SAM7S256

Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140
135 
TRIỂN KHAI HỆ ĐIỀU HÀNH NHÚNG THỜI GIAN THỰC FreeRTOS 
TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN ARM AT91SAM7S256 
Ngô Thị Vinh* 
Trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên 
TÓM TẮT 
FreeRTOS là một hệ điều hành nhúng thời gian thực có nhiều ưu điểm nổi bật để phù hợp cho các 
hệ thống thời gian thực nhỏ với các kiến trúc khác nhau như ARM, AVR, APSx, AFSx, LPC2000, 
STM32, PIC18,.Với các nền phần cứng khác nhau người lập trình cần phải cung cấp các tham 
số đầu vào phù hợp với từng dòng vi điều khiển để ứng dụng hoạt động đúng theo cấu hình của 
mạch thiết kế. Bài báo này sẽ trình bày các bước xây dựng một ứng dụng với hệ điều hành 
FreeRTOS và triển khai nó trên chíp vi điều khiển ARM AT91SAM7S256 của hãng Atmel-một 
chíp thuộc họ vi điều khiển ARM7 được sử dụng rộng rãi trong các bo mạch dùng chủ yếu cho 
việc thực hành, thí nghiệm với ARM7 trong các trường đại học hoặc các trung tâm nghiên cứu về 
hệ nhúng. Chương trình ứng dụng là một chương trình đa tiến trình hoạt động song song để có thể 
tận dụng được khả năng xử lý của CPU. 
Từ khóa: FreeRTOS, ARM, hệ điều hành nhúng, AT91SAM7S256, quản lý tài nguyên, tiến trình. 
GIỚI THIỆU* 
FreeRTOS là một hệ điều hành nhúng thời 
gian thực mã nguồn mở[1] ra đời từ năm 
2003, đến nay nó được phát triển rất mạnh mẽ 
và nhận được nhiều sự ủng hộ của các lập 
trình cho các hệ nhúng. FreeRTOS có tính 
khả chuyển, có thể sử dụng miễn phí hoặc 
dùng cho mục đích thương mại[1]. Nó có 
nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ điều hành 
nhúng thời gian thực khác như có kích thức 
rất nhỏ gọn nên rất phù hợp với các hệ nhúng 
thời gian thực nhỏ; được viết bằng ngôn ngữ 
C nên có độ phù hợp cao với các nền phần 
cứng khác nhau. Ngoài ra, FreeRTOS còn hỗ 
trợ các cơ chế như cho phép tạo cả task và co-
routie với số lượng task là không giới hạn phụ 
thuộc vào tài nguyên của phần cứng của 
chip[1]; hỗ trợ cơ chế truyền thông đồng bộ 
giữa các task hoặc giữa task và ngắt bằng 
cách sử dụng hàng đợi hoặc semaphore nhị 
phân hoặc semaphore đếm và các mutex; cho 
phép nhận biết khi ngăn xếp bị tràn. Ngay cả 
trong các hệ thống nhúng lớn người ta vẫn có 
thể sử dụng FreeRTOS để tiết kiệm được 
dung lượng bộ nhớ và làm cho hệ thống ít bị 
quá tải. 
*
 Tel: 0987706830; Email: ntvinh@ictu.edu.vn 
FreeRTOS khi mới ra đời được cài đặt chủ 
yếu cho các dòng chip [3], [4], [5] như LPC, 
PIC, RX và hiện nay đang tiếp tục được quan 
tâm triển khai trên các dòng chip ARM [2]. 
Với mỗi nền phần cứng khác nhau người lập 
trình cần cấu hình các thông số khác nhau sao 
cho phù hợp thì hệ thống mới có thể hoạt 
động chính xác. Đã có một số ứng dụng về 
FreeRTOS được viết cho các chip 
AT91SAM7S32 bít và AT91SAM7S64 bít 
[10] là các đời vi xử lý thấp hơn của 
AT91SAM7S256, hoặc các ứng dụng chỉ viết 
thuần túy là các chương trình lập trình giao 
tiếp với các cổng vi điều khiển này mà không 
sử dụng hệ điều hành nhúng thời gian 
thực[10]. Do đó, chúng chỉ là các ứng dụng 
đơn tiến trình. Nhiều lập trình viên hệ nhúng 
hiện nay đang rất quan tâm đến việc triển khai 
ứng dụng FreeRTOS trên chip 
AT91SAM7S256. Vì vậy, bài báo này trình 
bày các bước xây dựng một ứng dụng sử 
dụng hệ điều hành FreeRTOS, chương trình 
gồm bốn tiến trình chạy đồng thời và được 
đồng bộ sử dụng cơ chế hàng đợi và cơ chế 
mutex của hệ điều hành. Chương trình sẽ sử 
dụng các LED và các nút nhấn được thiết kế 
sẵn trên board để thể hiện trạng thái của các 
task và minh họa các ngắt trong hệ nhúng. 
Đồng thời chương trình truyền dữ liệu từ bộ 
chuyển đổi ADC ra máy tính qua cổng COM 
và hiển thị trên màn hình nhờ một task khác. 
Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140
136 
QUẢN LÝ HOẠT ĐỘNGTRONG FREERTOS 
Quản lý các task: Đây nhiệm vụ quan trọng 
trong FreeRTOS. Các nhiệm vụ mà người lập 
trình muốn hệ thống thực hiện sẽ được viết 
trong nội dung của các task. Mỗi task sẽ được 
gán một độ ưu tiên phù hợp và được bộ lập 
lịch sắp xếp thời gian hoạt động. 
Mỗi task sẽ gồm các tham số như: chức năng, 
tên, độ ưu tiên, độ sâu stack, định danh task 
và biến tham số tác động vào task. File task.c 
[8] sẽ cung cấp một tập các hàm chức năng để 
làm việc với các task. 
Thời gian hoạt động của một task được định 
nghĩa trong file FreeRTOSConfig.h và được 
tính bằng mini giây theo công thức 
t/portTICK_RATE_MS, với t là thời gian ở 
và trạng thái Blocking của mỗi task. Trong 
SAM7S256 mỗi Tick tương ứng với 500ms. 
Quản lý hàng đợi [1]: FreeRTOS cung cấp 
cơ chế hàng đợi (Queue) hoạt động theo 
nguyên tắc cơ bản là vào trước ra trước-FIFO. 
Hàng đợi là nơi lưu trữ dữ liệu của các task. 
Khi một task chờ để ghi dữ liệu vào hàng đợi 
hoặc là đọc dữ liệu ra từ hàng đợi thì nó sẽ bị 
rơi vào trạng thái Block. 
Quản lý sự kiện ngắt [1]: FreeRTOS cho 
phép quản lý hiệu quả các ngắt. Khi ngắt xảy 
ra CPU sẽ chuyển vào hàm thủ tục ngắt, hàm 
thủ tục ngắt phát đi một "tín hiệu" để hàm 
thực hiện chức năng của ngắt được thực hiện, 
hàm này có độ ưu tiên cao hơn tất cả các task 
khác nên nó sẽ được thực hiện ngay lập tức. 
Tín hiệu ở đây chính là Semaphore, trong 
FreeRTOS có 2 loại Semaphore là Binary 
Semaphore và Counting Semaphore [1]. Có 2 
tác động chính vào Semaphore là "Take" và 
"Give". "Take" là dùng cho hàm thực hiện 
chức năng của ngắt, khi chưa có ngắt hàm này 
sẽ ở trạng thái khóa (Blocking ) và chờ đợi sự 
kiện ngắt xảy ra. Tác động "Give" được thực 
hiện trong hàm thủ tục ngắt, nó sẽ phát ra tín 
hiệu là có ngắt xảy ra (Semaphore ở trạng thái 
Full), khi đó hàm thực hiện chức năng ngắt sẽ 
ngay lập tức được chuyển sang trạng thái sẵn 
sàng (Semaphore ở trạng thái Empty). Sau khi 
thực hiện xong nó lại trở lại trạng thái khóa 
và chờ đợi cho sự kiện ngắt tiếp theo xảy ra. 
Đồng bộ dữ liệu trong FreeRTOS [1]: Nếu 
Semaphore được sử dụng trong FreeRTOS để 
đồng bộ các sự kiện thì Mutex được sử dụng 
để đồng bộ dữ liệu giữa các task khi chúng 
cần truy xuất đến một vùng nhớ chứa dữ liệu 
chung. Mutex khác semaphore ở chỗ là nó bắt 
buộc phải trả về vùng đệm dữ liệu sau khi 
dùng. Để tạo ra một Mutex sử dụng phương 
thức xSemaphoreCreateMutex (void). Hai 
hàm tác động vào Mutex là "Take" và "Give" 
được định nghĩa để bảo vệ vùng mã không 
cho phép task khác truy xuất khi một task 
đang sử dụng nó. 
BOARD ARM AT91SAM7S256 
Với các đặc điểm như trên trình bày 
FreeRTOS rất phù hợp khi được cài đặt trên 
họ vi điều khiển SAM7S. Đây là họ vi điều 
khiển sử dụng lõi ARM7TDMI là nhân của 
nhiều chip trên các điện thoại di động ngày 
nay. AT91SAM7S256 là một trong chip vi 
điều khiển điển hình của họ này và thường 
được sử dụng trong các thiết bị RFID, đặc 
biệt được sử dụng để chế tạo một loạt các bo 
mạch phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu, 
thực hành và thí nghiệm với vi điều khiển 
ARM tại các trường đại học trên thế giới. 
Hình 1. Một số kít thí nghiệm sử dụng 
AT91SAM7S256 
Chíp AT91SAM7S256 có thể hoạt động với 
tần số 60MHz, 256KB bộ nhớ Flash và 64KB 
bộ nhớ RAM. Do đó, để tận dụng tối đa hiệu 
năng xử lý của CPU thì người lập trình nên 
cài đặt hệ điều hành nhúng thời gian thực như 
FreeRTOS cho chíp để có thể xây dựng được 
các ứng dụng đa tiến trình. 
Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140
137 
Ngoài khả năng hỗ trợ lập trình cho các chân 
vào ra, hoạt động định thời như các vi điều 
khiển thông thường, AT91SAM7S256 còn hỗ 
trợ chuẩn truyền thông nối tiếp theo chuẩn 
RS485, bộ chuyển đổi ADC 16 bít, chuẩn 
USB với tốc độ truyền 2.0. Để lập trình cho 
chip này cần sử dụng tệp thư viện do nhà sản 
xuất chip Atmel là AT91SAM7S256.h [9], 
tệp này sẽ định nghĩa chức năng các chân và 
các ký hiệu được sử dụng trong chương trình. 
CÁC BƯỚC XÂY DỰNG ỨNG DỤNG VỚI 
FREERTOS CHO KÍT AT91SAM7S256 
Có thể mô tả cấu trúc hoạt động chung của 
một chương trình sử dụng hệ điều hành nhúng 
FreeRTOS như sau: 
Hình 2. Cấu trúc chung của chương trình sử dụng 
hệ điều hành FreeRTOS trên hệ nhúng 
Bước 1: Khởi tạo cấu hình phần cứng cho bo 
mạch sẽ thực hiện thiết lập các thông số phù 
hợp với từng chip phần cứng cụ thể. Chương 
trình ở đây sẽ thực hiện cấu hình các hằng số 
tương ứng với xung nhịp đầu vào hệ thống, 
cấu hình các chân vào ra số 17, 18, 19 và 20 
của cổng cổng 0 cho việc điều khiển các nút 
nhấn và các LED đơn, cấu hình các thông số 
và khởi động bộ điều khiển ADC và USART 
trên chip. 
Bước 2: Khởi tạo Semaphore. Nếu chương 
trình có sử dụng semaphore để đồng bộ dữ 
liệu giữa các task thì chúng sẽ được tạo ra ở 
bước này. Chương trình ở đây sẽ thực hiện 
tạo ra một semaphore sử dụng một mutex để 
đồng bộ một vùng dữ liệu dùng chung cho bộ 
chuyển đổi ADC và cổng USART. 
Bước 3: Khởi tạo hàng đợi. Nếu chương trình 
sử dụng cơ chế hàng đợi để lưu trữ dữ liệu 
chung chuyển giữa các tiến trình với nhau thì 
chúng sẽ được tạo ra ở bước này. Chương 
trình ứng dụng được trình bày ở đây sẽ sử 
dụng hàng đợi để lưu trữ giá trị được sử dụng 
làm cờ trạng thái cho các tiến trình điều khiển 
các LED. 
Bước 4: Khởi tạo các task. Bước này sẽ thực 
hiện tạo ra các task với độ ưu tiên nhất định 
để thực hiện các nhiệm vụ theo yêu cầu của 
người lập trình. Chương trình ứng dụng được 
xây dựng gồm bốn task tương ứng với bốn 
tiến trình hoạt động song song trên chíp. Mỗi 
tiến trình sẽ thực hiện nhiệm vụ như sau: 
Tiến trình vTaskLED1: Điều khiển đảo trạng 
thái của LED1 tại chân số 17 của cổng 0 và 
chờ nhận ngắt tác động qua nút bấm tại chân 
số 19 của cổng này. 
Tiến trình vTaskLED2: Điều khiển đảo trạng 
thái của LED2 tại chân số 18 của cổng 0 và 
chờ nhận ngắt tác động qua nút bấm tại chân 
số 20 của cổng này. 
Hai tiến trình vTaskLED1 và vTaskLED2 sẽ 
sử dụng hàng đợi được tạo ở bước 3 để điều 
khiển trạng thái của các LED và cho phép các 
ngắt mềm tác động khi các nút bấm trên chân 
số 19 và 20 được nhấn. Khi tiến trình 
vTaskLED1 đang hoạt động thì tiến trình 
vTaskLED2 ở trạng thái Blocking và ngược 
lại. Khi các tiến trình đang hoạt động thì các 
LED được bật sáng và khi ở trạng thái 
Blocking thì các LED tương ứng tắt, khi nhấn 
các nút bấm trên chân 19 và 20 thì có ngắt 
Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140
138 
xảy ra. Sơ đồ sau thể trình tự hoạt động của 
hai task vTaskLED1 và vTaskLED2 được thể 
hiện như trong hình 3. 
Hình 3. Trình tự hoạt động của task vTaskLED1 
và vTaskLED2 
Tiến trình thứ ba là vTaskADC sẽ liên tiếp 
đọc giá trị từ kênh 4 của bộ chuyển đổi tương 
tự sang số (ADC) và ghi vào một vùng đệm. 
Tiến trình thứ tư là vTaskSerial sẽ liên tiếp 
đọc dữ liệu từ vùng đệm do tiến trình 
vTaskADC ghi vào và gửi ra cổng nối tiếp 
USART. Hai tiến trình vTaskADC và 
vTaskSerial sử dụng chung một vùng đệm dữ 
liệu nên phải đồng bộ bằng cách sử dụng một 
semaphore với cơ chế Mutex được tạo ra ở 
bước 2. Hoạt động đồng bộ của hai tiến trình 
này được mô tả như trong hình 4. Thực chất để 
đồng bộ hai tiến trình ta sử dụng một biến cờ để 
đánh dấu vùng đệm dữ liệu đang bận khi bộ 
chuyển đổi ADC chưa hoàn thành hoặc đã hoàn 
thành để báo cho tiến trình truyền đọc dữ liệu từ 
vùng đệm này và truyền qua cổng nối tiếp biết. 
Đồng thời hai tiến trình này sử dụng cặp hàm 
xSemaphoreTake() và xSemaphoreGive() để 
bảo vệ vùng mã của mình không cho phép các 
tiến trình khác xâm nhập. 
Hình 4. Sử dụng Mutex để đồng bộ hai task 
vTaskADC và vTaskSerial 
Bước 5: Khởi động hệ điều hành. Hệ điều 
hành sẽ bắt đầu chạy là lập lịch để chia sẻ thời 
gian xử lý cho các tiến trình và chờ đợi các sự 
kiện ngắt xảy ra. 
Tổng kết lại ta có chương trình chính như sau: 
int main(void){ 
 Init (); 
//Tạo semaphore trong hệ điều hành để đồng 
bộ tiến trình 
 CreateMutexADC(); 
// Tạo hàng đợi tiến trình 
 CreateQueue(); 
// Tạo các task 
CreateAllTask(); 
//Khởi tạo hệ điều hành FreeRTOS 
 vTaskStartScheduler(); 
 return 0; } 
Ta sẽ thực hiện biên dịch chương trình bằng 
phần mềm IAR và nạp chương trình lên kít 
qua cổng USB sử dụng phần mềm SAM_BA 
và SAM_PROG. Với SAM_PROG người lập 
trình có thể nạp chương trình thực thi với 
đuôi .bin được tạo ra trực tiếp từ các trình 
biên dịch như IAR hoặc WinARM. 
Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140
139 
Hình 5. Nạp file đuôi .bin lên board 
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 
Kết quả kiểm tra chương trình trên kít cho 
thấy sau 100 lần bật và tắt nút nguồn trên kít 
đều thấy chương trình hoạt động ổn định 
trong thời gian dài (một giờ đồng hồ) và cho 
kết quả hiển thị trên các LED và trên màn 
hình máy tính là giống nhau. 
Trên kít ta quan sát thấy khi LED tại chân số 
17 sáng thì LED tại chân số 18 tắt và ngược 
lại như hình 4. 
Trên màn hình máy tính (hình 6) hiển thị dữ 
liệu từ kít gửi qua cổng USART tại các lần 
test đều giống nhau. 
Hình 6. Kết quả nạp chương trình lên board 
KẾT LUẬN 
Bài báo đã chỉ ra các ưu điểm chính của hệ 
điều hành nhúng thời gian thực FreeRTOS và 
các bước tiến hành xây dựng một ứng dụng 
với FreeRTOS trên một nền phần cứng nhất 
định. Tác giả đã tiến hành nạp chương trình 
và thử nghiệm trên board AT91SAM7S256 
của hãng Atmel. 
Hình 7. Kết quả màn hình máy tính nhận dữ liệu 
từ cổng COM ảo 
Kết quả cho thấy chương trình hoạt động ổn 
định và cho các kết quả giống nhau tại các lền 
kiểm tra. Bài báo có thể làm tài liệu tham khảo 
cho các lập trình viên hệ nhúng muốn tìm hiểu 
tìm hiểu về cách xây dựng một ứng dụng đa 
tiến trình sử dụng FreeRTOS nói chung và trên 
board AT91SAM7S256 nói riêng. 
Ngô Thị Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 135 - 140
140 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Richard Bary, Using the FreeRTOS Real 
Time Kernel - a Practical Guide - Standard Base 
Edition, Real Time Engineers Ltd London, 2013. 
[2]. RICHARD BARY, USING THE FREERTOS 
REAL TIME KERNEL FOR CORTEX-M3 EDITION, 
REAL TIME ENGINEERS LTD LONDON, 2013. 
[3]. RICHARD BARY (2013), USING THE FREERTOS 
REAL TIME KERNEL FOR LPC17XX EDITION , REAL 
TIME ENGINEERS LTD LONDON. 
[4]. Richard Bary, Using The FreeRTOS Real 
Time Kernel for Microchip PIC32 Edition, Real 
Time Engineers Ltd London, 2013. 
[5]. Richard Bary, (2013). Using The FreeRTOS 
Real Time Kernel for Renesas RX600 Edition, 
Real Time Engineers Ltd London. 
[6]. ALAN BURNS, ANDY WELLINGS, REAL-TIME 
SYSTEMS AND PROGRAMMING LANGUAGES, 
ADDISON WESLEY LONGMAN, NOVEMBER 1ST 1996. 
[7]. Alan Burns and Andy Wellings, Real-Time 
Systems and Programming Languages (Fourth 
Edition), Addison Wesley Longmain, April 2009 
[8].  
[9]. http:// www.atmel.com/ 
[10].
kl.de/avr_projects/arm_projects/index_at91.html 
[11].  
SUMMARY 
DEPLOYMENT EMBEDDED OPERATING SYSTEM FreeRTOS 
ON ARM MICROPROCESSOR AT91SAM7S256 
Ngo Thi Vinh* 
College of of Information And Communication Technology – TNU 
FreeRTOS is a real-time embedded operating system that has many advantages for small real-time 
systems with different architectures such as ARM, AVR, APSx, AFSx, LPC2000, STM32, 
PIC18, Programmers need to provide different input parameters corresponding to each 
microcontroller of different hardware platforms to obtain accurate applications in accordance with 
the configurations of the designed circuits. This paper presents the steps to build an application 
using FreeRTOS and to setup FreeRTOS on ARM microcontroller AT91SAM7S256 of Atmel, 
which is one chip belonged to ARM7 microcontrollers that are widely used in for practicing and 
experimenting in universities and research centers of embedded systems. The application is a 
multi-process program operating in parallel to take advantage of the processing power of the CPU. 
Keywords: FreeRTOS, ARM, embedded operating system, AT91SAM7S256, resource 
management, task. 
Ngày nhận bài: 03/11/2013; Ngày phản biện:15/11/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 
Phản biện khoa học: TS. Phùng Trung Nghĩa – Trường ĐH Công nghệ thông tin & TT - ĐHTN 
*
 Tel: 0987706830; Email: ntvinh@ictu.edu.vn