嵌入式為什么一定要學(xué)RTOS

嵌入式系統(tǒng)不只是ARM+Linux，不是只有安卓，凡是電子產(chǎn)品都可稱為嵌入式系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，也提升了FreeRTOS市場占有率。

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為什么要學(xué)RTOS？

在大學(xué)里一般電子信息專業(yè)的最后大部分都進(jìn)入嵌入式這個領(lǐng)域，入門首先接觸的是單片機(jī)編程，尤其是C51單片機(jī)，基礎(chǔ)的單片機(jī)編程通常都是指裸機(jī)編程，即不加入任何 RTOS（Real Time Operating System 實時操作系統(tǒng)）。

常用的有國外的FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國內(nèi)的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中開源且免費的 FreeRTOS 的市場占有率極高。在工作中用的最多的就是FreeRTOS，免費也沒有版權(quán)誰不喜歡用呢？

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裸機(jī)系統(tǒng)

1、輪詢系統(tǒng)

輪詢系統(tǒng)即是在裸機(jī)編程的時候，先初始化好相關(guān)的硬件，然后讓主程序在一個死循環(huán)里面不斷循環(huán)，順序地做各種事情。裸機(jī)系統(tǒng)通常分成輪詢系統(tǒng)和前后臺系統(tǒng)。

int main(void) { /* 硬件相關(guān)初始化 */ HardWareInit(); /* 無限循環(huán) */ for (;;) { /* 處理事情 1 */ DoSomething1(); /* 處理事情 2 */ DoSomethingg2(); /* 處理事情 3 */ DoSomethingg3(); } }

輪詢系統(tǒng)是一種非常簡單的軟件結(jié)構(gòu)，通常只適用于那些只需要順序執(zhí)行代碼且不需要外部事件來驅(qū)動的就能完成的事情。在代碼清單中，如果只是實現(xiàn)LED翻轉(zhuǎn)，串口輸出，液晶顯示等這些操作，那么使用輪詢系統(tǒng)將會非常完美。

但是，如果加入了按鍵操作等需要檢測外部信號的事件，用來模擬緊急報警，那么整個系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力就不會那么好了。

假設(shè)DoSomethingg3是按鍵掃描，當(dāng)外部按鍵被按下，相當(dāng)于一個警報，這個時候，需要立馬響應(yīng)，并做緊急處理，而這個時候程序剛好執(zhí)行到DoSomethingg1，要命的是DoSomethingg1需要執(zhí)行的時間比較久，久到按鍵釋放之后都沒有執(zhí)行完畢，那么當(dāng)執(zhí)行到DoSomethingg3的時候就會丟失掉一次事件。

足見，輪詢系統(tǒng)只適合順序執(zhí)行的功能代碼，當(dāng)有外部事件驅(qū)動時，實時性就會降低。

2、前后臺系統(tǒng)

在裸機(jī)系統(tǒng)中，所有的操作都是在一個無限的大循環(huán)里面實現(xiàn),支持中斷檢測。外部中斷緊急事件在中斷里面標(biāo)記或者響應(yīng)，中斷服務(wù)稱為前臺，main 函數(shù)里面的while(1)無限循環(huán)稱為后臺，按順序處理業(yè)務(wù)功能，以及中斷標(biāo)記的可執(zhí)行的事件。小型的電子產(chǎn)品用的都是裸機(jī)系統(tǒng)，而且也能夠滿足需求。

int flag1 = 0; int flag2 = 0; int flag3 = 0; int main(void) { /* 硬件相關(guān)初始化 */ HardWareInit(); /* 無限循環(huán) */ for (;;) { if (flag1) { /* 處理事情 1 */ DoSomething1(); } if (flag2) { /* 處理事情 2 */ DoSomethingg2(); } if (flag3) { /* 處理事情 3 */ DoSomethingg3(); } } } void ISR1(void) { /* 置位標(biāo)志位 */ flag1 = 1; /* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理 如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */ DoSomething1(); } void ISR2(void) { /* 置位標(biāo)志位 */ flag2 = 2; /* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理 如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */ DoSomething2(); } void ISR3(void) { /* 置位標(biāo)志位 */ flag3 = 1; /* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理 如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */ DoSomething3(); }

在順序執(zhí)行后臺程序的時候，如果有中斷來臨，那么中斷會打斷后臺程序的正常執(zhí)行流，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序里面標(biāo)記事件，如果事件要處理的事情很簡短，則可在中斷服務(wù)程序里面處理，如果事件要處理的事情比較多，則返回到后臺程序里面處理。

雖然事件的響應(yīng)和處理是分開了，但事件的處理還是在后臺里面順序執(zhí)行的，但相比輪詢系統(tǒng)，前后臺系統(tǒng)確保了事件不會丟失，再加上中斷具有可嵌套的功能，這可以大大的提高程序的實時響應(yīng)能力。在大多數(shù)的中小型項目中，前后臺系統(tǒng)運用的好，堪稱有操作系統(tǒng)的效果。

一般來說：如果項目里面沒有使用RTOS，則一般使用的都是這種前后臺系統(tǒng)。

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多線程系統(tǒng)

相比前后臺系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的事件響應(yīng)也是在中斷中完成的，但事件的處理是在線程中完成的。在多線程系統(tǒng)中，線程跟中斷一樣，也具有優(yōu)先級，優(yōu)先級高的線程會被優(yōu)先執(zhí)行。

當(dāng)一個緊急的事件在中斷被標(biāo)記之后，如果事件對應(yīng)的線程的優(yōu)先級足夠高，就會立馬得到響應(yīng)。相比前后臺系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的實時性又被提高了。

多線程系統(tǒng)大概的偽代碼具體見代碼清單所示：

int flag1 = 0; int flag2 = 0; int flag3 = 0; int main(void) { /* 硬件相關(guān)初始化 */ HardWareInit(); /* OS 初始化 */ RTOSInit(); /* OS 啟動，開始多線程調(diào)度，不再返回 */ RTOSStart(); while(1);/* 程序不會執(zhí)行到這里 */ } void ISR1(void) { /* 置位標(biāo)志位 */ flag1 = 1; } void ISR2(void) { /* 置位標(biāo)志位 */ flag2 = 2; } void ISR3(void) { /* 置位標(biāo)志位 */ flag3 = 1; } void DoSomething1(void) { /* 無限循環(huán)，不能返回 */ for (;;) { /* 線程實體 */ if (flag1) { } } } void DoSomething2(void) { /* 無限循環(huán)，不能返回 */ for (;;) { /* 線程實體 */ if (flag2) { } } } void DoSomething3(void) { /* 無限循環(huán)，不能返回 */ for (;;) { /* 線程實體 */ if (flag3) { } } }

相比前后臺系統(tǒng)中后臺順序執(zhí)行的程序主體，在多線程系統(tǒng)中，根據(jù)程序的功能，我們把這個程序主體分割成一個個獨立的，無限循環(huán)且不能返回的小程序，這個小程序我們稱之為線程。

每個線程都是獨立的，互不干擾的，且具備自身的優(yōu)先級，它由操作系統(tǒng)調(diào)度管理。加入操作系統(tǒng)后，我們在編程的時候不需要精心地去設(shè)計程序的執(zhí)行流，不用擔(dān)心每個功能模塊之間是否存在干擾。

加入了操作系統(tǒng)，我們的編程反而變得簡單了。整個系統(tǒng)隨之帶來的額外開銷就是操作系統(tǒng)占據(jù)的那一丁點的FLASH和RAM。現(xiàn)如今，單片機(jī)的 FLASH和RAM是越來越大，完全足以抵擋RTOS那點開銷。

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學(xué)習(xí)RTOS的意義是什么？

學(xué)習(xí)RTOS，一是項目需要，隨著產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能越來越多，單純的裸機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不能完美地解決問題，反而會使編程變得更加復(fù)雜，如果想降低編程的難度，就必須引入RTOS實現(xiàn)多任務(wù)管理。二是技能需要，掌握操作系統(tǒng)，和基于RTOS的編程，實現(xiàn)更好的職業(yè)規(guī)劃，對個人發(fā)展尤其是“錢途”是必不可少的。

大家可能一直覺得學(xué)操作系統(tǒng)就必須是linux，實際每個系統(tǒng)都有其應(yīng)用場景，對于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，殺雞焉用牛刀，小而美，且應(yīng)用廣泛的FreeRTOS 是首選。有一個操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，即使后續(xù)基于其他系統(tǒng)開發(fā)軟件，也可觸類旁通，對新技術(shù)快速入門。