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在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用 CPU 的資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。本文我們對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)典三問(wèn)：what？when？how？因此，以下是嵌入式設(shè)計(jì)需要RTOS解決方案的時(shí)間和原因。但在此之前，RTOS到底是什么，尤其是與裸機(jī)解決方案相比？

一：什么是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）？

RTOS是一種操作系統(tǒng)，旨在管理嵌入式系統(tǒng)的硬件資源；它創(chuàng)建了多個(gè)軟件執(zhí)行線程和一個(gè)調(diào)度程序來(lái)管理這些線程。另一種說(shuō)法是一個(gè)調(diào)度內(nèi)核，它創(chuàng)建了一個(gè)多任務(wù)和確定性的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。

RTOS與無(wú)操作系統(tǒng)的“前后臺(tái)”設(shè)計(jì)的最本質(zhì)區(qū)別是任務(wù)調(diào)度器的設(shè)計(jì)，調(diào)度器可以為正在運(yùn)行的任務(wù)分配精確且可重復(fù)的時(shí)間段的能力，

二：什么時(shí)候需要用RTOS？

當(dāng)有更多中斷源、更多功能和更多通信接口時(shí)，通常使用RTOS。簡(jiǎn)而言之，應(yīng)用程序的復(fù)雜性在很大程度上決定了為MCU定制的RTO的使用。

剛開始學(xué)單片機(jī)，基本都是從裸機(jī)開始，經(jīng)典的“項(xiàng)目”就是流水燈，也是你學(xué)習(xí)單片機(jī)的開始。但是隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，裸機(jī)所暴露的問(wèn)題就越來(lái)越多，這里我給大家總結(jié)下吧：1、并發(fā)性：程序并發(fā)工作效率低在寫裸機(jī)軟件時(shí)，不可避免的在主程序中會(huì)有一個(gè)超級(jí)大的 while(1) 循環(huán)，這里面幾乎包含整個(gè)項(xiàng)目的所有業(yè)務(wù)邏輯。因?yàn)槊總€(gè)業(yè)務(wù)邏輯里面基本都會(huì)有 delay 這樣的循環(huán)等待函數(shù)，這樣導(dǎo)致了所有的業(yè)務(wù)邏輯幾乎都是串行起來(lái)工作的。這個(gè)時(shí)候 CPU 就會(huì)有很多時(shí)間都浪費(fèi)在了延時(shí)函數(shù)里，一直在空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軟件的并發(fā)效率非常差。2、模塊化：高內(nèi)聚，低耦合的原則從軟件工程的角度，我們?cè)谧鲕浖_發(fā)時(shí)，都會(huì)強(qiáng)調(diào)高內(nèi)聚、低耦合的原則。而裸機(jī)的模塊化開發(fā)難度非常大，模塊間的耦合較重，這也導(dǎo)致了無(wú)法在大型項(xiàng)目使用裸機(jī)來(lái)開發(fā)。還是剛才 main 函數(shù)中大 while(1) 的例子，可以想象到那么多功能都緊緊的擠在一個(gè)函數(shù)里，不可拆分，模塊化開發(fā)的困難重重。舉一個(gè)非常貼切的例子，在一些使用看門狗的項(xiàng)目中，如果使用 delay 延時(shí)函數(shù)，那得注意點(diǎn)，萬(wàn)一延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，主函數(shù)來(lái)不及喂狗，看門狗就被觸發(fā)了。最后會(huì)產(chǎn)生這樣一種感覺，一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的 delay 還得考慮喂狗功能，裸機(jī)開發(fā)時(shí)操的心太多了，自然無(wú)法應(yīng)用在大型項(xiàng)目中。3、生態(tài)：很多高級(jí)軟件組件，必須依賴于操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)比如說(shuō)，前些年一個(gè)基于 FreeModbus 的 Modbus 主機(jī)協(xié)議棧，因?yàn)橐紤]各個(gè)平臺(tái)適配問(wèn)題，原本計(jì)劃支持各種各樣的操作系統(tǒng)，甚至是裸機(jī)平臺(tái)。在各個(gè)操作系統(tǒng)上的適配都非常容易，但再去嘗試著適配裸機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)難度重重，有一些函數(shù)在裸機(jī)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜，而且針對(duì)于不同的裸機(jī)環(huán)境，幾乎沒有通用性可言，太耗費(fèi)精力了。所以我最終就放棄了裸機(jī)適配，一直到現(xiàn)在，在裸機(jī)上都沒用這個(gè) Modbus 主機(jī)協(xié)議棧。還有一些軟件無(wú)法運(yùn)行在裸機(jī)上，比如：樂(lè)鑫，Realtek、 ti 和 聯(lián)發(fā)科 提供的 WIFi SOC SDK ，一些藍(lán)牙 SOC 的 SDK 也都是只支持操作系統(tǒng)。所以，如果你不了解、不會(huì)使用操作系統(tǒng)，這些芯片也就玩不轉(zhuǎn)了。4、實(shí)時(shí)性：功能復(fù)雜的情況下，實(shí)時(shí)性無(wú)法保證軟件的實(shí)時(shí)性在一些領(lǐng)域會(huì)有一定的要求，軟件的每個(gè)步驟必須在指定的時(shí)間被觸發(fā)。工控領(lǐng)域就是最常見到的場(chǎng)景，如果實(shí)時(shí)性無(wú)法保證，機(jī)械設(shè)備可能就無(wú)法按照指定時(shí)序要求去動(dòng)作，以至于發(fā)生機(jī)械事故，甚至?xí){到人的生命。回過(guò)來(lái)接著看裸機(jī)軟件，如果軟件變得龐大以后，可以想象到，主程序中那么大的一個(gè) while(1) 循環(huán)，代碼耦合嚴(yán)重，到處都是 delay 延時(shí)，要保證實(shí)時(shí)性幾乎是不可能的。5、可重用性：軟件可重用性差，總是重復(fù)造輪子可重用性與模塊化程度有直接的關(guān)系。相信大家每個(gè)人在工作中都不想做很多重復(fù)性的工作，同樣在寫代碼時(shí)，也想著盡可能少寫一些功能相似的代碼。但在這個(gè)嵌入式碎片化極其嚴(yán)重的時(shí)代，各式各樣的芯片，想要讓同樣的代碼，在裸機(jī)環(huán)境下同時(shí)適配不同的硬件，難度非常大。這樣也就導(dǎo)致了裸機(jī)的代碼會(huì)過(guò)多的依賴于底層硬件，重復(fù)造輪子的過(guò)程也就不可避免。

三：選擇RTOS需要考慮的因素

現(xiàn)在開源或不開源的RTOS非常多，當(dāng)我們選擇具體使用哪個(gè)RTOS時(shí)主要需要考慮哪些因素呢？響應(yīng)性：RTOS調(diào)度算法、中斷延遲和上下文切換時(shí)間將顯著定義系統(tǒng)的響應(yīng)性和確定性。最重要的考慮是需要什么類型的響應(yīng)——是否需要硬實(shí)時(shí)響應(yīng)？這意味著有精確定義的最后期限，如果不滿足，將導(dǎo)致系統(tǒng)失敗。或者，非確定性的軟實(shí)時(shí)響應(yīng)是否合適？在這種情況下，無(wú)法保證每項(xiàng)任務(wù)何時(shí)完成。可用系統(tǒng)資源：微內(nèi)核使用最少的系統(tǒng)資源，并提供有限但必不可少的任務(wù)調(diào)度功能。微內(nèi)核通常提供硬實(shí)時(shí)響應(yīng)，廣泛用于RAM/ROM容量有限的嵌入式微處理器，但也適用于較大的嵌入式處理器系統(tǒng)。或者，可以使用Linux或WinCE等功能齊全的操作系統(tǒng)。它們提供了功能豐富的操作系統(tǒng)環(huán)境，通常隨驅(qū)動(dòng)程序、GUI和中間件組件一起提供。與微內(nèi)核相比，功能齊全的操作系統(tǒng)通常響應(yīng)速度較慢，需要更多的內(nèi)存和處理能力，主要用于系統(tǒng)資源豐富的強(qiáng)大嵌入式處理器上。開源或?qū)I(yè)許可：有廣泛使用的、免費(fèi)的開源RTOS可用，在GPL或修改的GPL許可下分發(fā)。然而，這些許可證可能包含保留拷貝的限制，提供的保護(hù)很少。專業(yè)授權(quán)的RTOS產(chǎn)品取消了版權(quán)限制，提供完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)侵權(quán)賠償和擔(dān)保。此外，只有一家公司提供支持，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量負(fù)責(zé)。質(zhì)量：RTOS供應(yīng)商在其組織內(nèi)對(duì)質(zhì)量的重視程度如何？質(zhì)量不僅僅是編碼標(biāo)準(zhǔn)。是否有正確的程序來(lái)保證未來(lái)產(chǎn)品和支持的質(zhì)量？管理良好、重視質(zhì)量的公司往往通過(guò)ISO 9001認(rèn)證。安全認(rèn)證：預(yù)認(rèn)證和可認(rèn)證RTO可用于需要按照國(guó)際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（如DO-178C和IEC 61508）認(rèn)證的應(yīng)用。這些RTO提供了關(guān)鍵的安全特性，以及認(rèn)證機(jī)構(gòu)要求的設(shè)計(jì)證據(jù)，以確認(rèn)用于開發(fā)RTO的過(guò)程符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。許可證：它不僅是您需要考慮的RTOS功能和特性，而且是對(duì)您的項(xiàng)目預(yù)算和公司的“投資回報(bào)”最有效的許可模式。RTOS供應(yīng)商：RTOS背后的公司與選擇正確的RTOS本身一樣重要。理想情況下，您希望與供應(yīng)商建立關(guān)系，不僅支持您當(dāng)前的產(chǎn)品，而且支持您未來(lái)的產(chǎn)品。要做到這一點(diǎn)，你需要選擇一個(gè)具有良好聲譽(yù)的積極主動(dòng)的供應(yīng)商，與領(lǐng)先的硅制造商合作，確保他們能夠支持最新的處理器和工具。信任、產(chǎn)品質(zhì)量和支持質(zhì)量是一切。