簡述STM32單片機(jī)開發(fā)中的RTOS

很多STM32單片機(jī)初學(xué)者都是從裸機(jī)開始的，裸機(jī)確實(shí)也能開發(fā)出好的產(chǎn)品。但是，作為一個(gè)嵌入式軟件工程師，況且用的并不是51那種低端單片機(jī)，如果只會(huì)用裸機(jī)開發(fā)產(chǎn)品，那肯定是不夠的。

要從裸機(jī)的思維轉(zhuǎn)變到RTOS（Real Time Operating System）的思維，其實(shí)需要一個(gè)過程，而且開始的一段時(shí)間會(huì)很痛苦。但過一段時(shí)間理解了一些內(nèi)容，能寫一些Demo之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)RTOS也不難。

現(xiàn)在FreeRTOS在CubeMX工具中可以直接配置并使用，相當(dāng)方便。

為什么需要RTOS

為什么我們需要RTOS？就像最開始學(xué)C編程時(shí)，老師告訴我們，指針很重要，那時(shí)你肯定有一個(gè)大的疑問，指針到底有什么好？ 心里一直犯嘀咕著：不用指針不一樣把程序編出來了？ 現(xiàn)在想想看C語言沒了指針，是不是“寸步難行”呢。 回到正題，我們到底為什么需要RTOS？ 一般的簡單的嵌入式設(shè)備的編程思路是下面這樣的：

main{ {處理事務(wù)1}； {處理事務(wù)2}； {處理事務(wù)3}； 。。。。。。。 {處理事務(wù)N}；}

isr_server{ {處理中斷}；}

這是最常見的一種思路，對(duì)于簡單的系統(tǒng)當(dāng)然是夠用了，但這樣的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性很差。 比如“事務(wù)1”如果是一個(gè)用戶輸入的檢測，當(dāng)用戶輸入時(shí)，如果程序正在處理事務(wù)1下面的那些事務(wù)，那么這次用戶輸入將失效，用戶的體驗(yàn)是“這個(gè)按鍵不靈敏，這個(gè)機(jī)器很慢”，而我們?nèi)绻咽聞?wù)放到中斷里去處理。

雖然改善了實(shí)時(shí)性但會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)問題，有可能會(huì)引發(fā)中斷丟失，這個(gè)后果有時(shí)候比“慢一點(diǎn)”更加嚴(yán)重和惡劣！ 又比如事務(wù)2是一個(gè)只需要1s鐘處理一次的任務(wù)，那么顯然事務(wù)2會(huì)白白浪費(fèi)CPU的時(shí)間。改進(jìn)思路 看到上面裸機(jī)開發(fā)的局限了嗎？ 這時(shí)，我們可能需要改進(jìn)我們的編程思路，一般我們會(huì)嘗試采用“時(shí)間片”的方式。這時(shí)候編程會(huì)變成下面的方式：

main{ {事務(wù)1的時(shí)間片到了則處理事務(wù)1}； {事務(wù)2的時(shí)間片到了則處理事務(wù)2}； 。。。。。。。 {事務(wù)N的時(shí)間片到了則處理事務(wù)N}；}

time_isr_server{ {判斷每個(gè)事務(wù)的時(shí)間片是否到來，并進(jìn)行標(biāo)記}；}

isr_server{ {處理中斷}；}

可以看到，這種改進(jìn)后的思路，使得事務(wù)的執(zhí)行時(shí)間得到控制，事務(wù)只在自己的時(shí)間片到來后，才會(huì)去執(zhí)行。但這種方式仍然不能徹底解決“實(shí)時(shí)性”的問題，因?yàn)槟硞€(gè)事務(wù)的時(shí)間片到來后，也不能立即就執(zhí)行，必須等到當(dāng)前事務(wù)的時(shí)間片用完，并且后面的事務(wù)時(shí)間片沒到來，才有機(jī)會(huì)獲得“執(zhí)行時(shí)間”。

這時(shí)候我們需要繼續(xù)改進(jìn)思路，為了使得某個(gè)事務(wù)的時(shí)間片到來后能立即執(zhí)行，我們需要在時(shí)鐘中斷里判斷完時(shí)間片后，改變程序的返回位置，讓程序不返回到剛剛被打斷的位置，而從最新獲得了時(shí)間片的事務(wù)處開始執(zhí)行，這樣就徹底解決了事務(wù)的實(shí)時(shí)問題。

我們在這個(gè)思路上，進(jìn)行改進(jìn)，我們需要在每次進(jìn)入時(shí)鐘中斷前，保存CPU的當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前事務(wù)用到的一些數(shù)據(jù)，然后我們進(jìn)入時(shí)鐘中斷進(jìn)行時(shí)間片處理，若發(fā)現(xiàn)有新的更緊急的事務(wù)的時(shí)間片到來了，則我們改變中斷的返回的地址，并在CPU中恢復(fù)這個(gè)更緊急的事務(wù)的現(xiàn)場，然后返回中斷開始執(zhí)行這個(gè)更緊急的事務(wù)。

使用RTOS的好處

上面那段話，對(duì)于初學(xué)者來說，可能有些不好理解。 事實(shí)上，這是因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這個(gè)過程是有些復(fù)雜和麻煩的，這時(shí)候我們就需要找一個(gè)操作系統(tǒng)（OS）幫我們做這些事了，如果你能自己用代碼實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，事實(shí)上你就在自己寫操作系統(tǒng)了。

其實(shí)從這里也可也看出，操作系統(tǒng)的原理其實(shí)并不那么神秘，只是一些細(xì)節(jié)你很難做好。我們常見的RTOS基本都是這樣的一個(gè)操作系統(tǒng)，它能幫你完成這些事情，而且是很優(yōu)雅的幫你完成！ 事實(shí)上，RTOS的用處遠(yuǎn)不止幫你完成這個(gè)“事務(wù)時(shí)間片的處理”，它還能幫你處理各種超時(shí)，進(jìn)行內(nèi)存管理，完成任務(wù)間的通信等。

有了RTOS，程序的層次也更加清晰，給系統(tǒng)添加功能也更方便，這一切在大型項(xiàng)目中越發(fā)的明顯！

編輯：jq