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為什么要學(xué)習(xí) 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(gè)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng))。常用的有國(guó)外的FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國(guó)內(nèi)的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中開源且免費(fèi)的 FreeRTOS 的市場(chǎng)占有率極高。在工作中用的最多的就是FreeRTOS，免費(fèi)也沒有版權(quán)誰(shuí)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(shí)候，先初始化好相關(guān)的硬件，然后讓主程序在一個(gè)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(tái)系統(tǒng)。

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*無(wú)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(jiǎn)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(lái)驅(qū)動(dòng)的就能完成的事情。在代碼清單中，如果只是實(shí)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(huì)非常完美。但是，如果加入了按鍵操作等需要檢測(cè)外部信號(hào)的事件，用來(lái)模擬緊急報(bào)警，那么整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力就不會(huì)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(gè)警報(bào)，這個(gè)時(shí)候，需要立馬響應(yīng) ， 并做緊急處理 ， 而這個(gè)時(shí)候程序剛好執(zhí)行到DoSomethingg1， 要命的是DoSomethingg1需要執(zhí)行的時(shí)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(shí)候就會(huì)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(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)性就會(huì)降低。

2、前后臺(tái)系統(tǒng)

在裸機(jī)系統(tǒng)中，所有的操作都是在一個(gè)無(wú)限的大循環(huán)里面實(shí)現(xiàn),支持中斷檢測(cè)。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(tái)，main 函數(shù)里面的while(1)無(wú)限循環(huán)稱為后臺(tái)，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。

intflag1=0;
intflag2=0;
intflag3=0;

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*無(wú)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();
}
}
}

voidISR1(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag1=1;
/*如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長(zhǎng)，在回到后臺(tái)處理*/
DoSomething1();
}

voidISR2(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag2=2;

/*如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長(zhǎng)，在回到后臺(tái)處理*/
DoSomething2();
}

voidISR3(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag3=1;
/*如果事件處理時(shí)間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時(shí)間比較長(zhǎng)，在回到后臺(tái)處理*/
DoSomething3();
}

在順序執(zhí)行后臺(tái)程序的時(shí)候，如果有中斷來(lái)臨，那么中斷會(huì)打斷后臺(tái)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(jiǎn)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(tái)程序里面處理。

雖然事件的響應(yīng)和處理是分開了，但是事件的處理還是在后臺(tái)里面順序執(zhí)行的，但相比輪詢系統(tǒng)，前后臺(tái)系統(tǒng)確保了事件不會(huì)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(shí)時(shí)響應(yīng)能力。在大多數(shù)的中小型項(xiàng)目中，前后臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)用的好，堪稱有操作系統(tǒng)的效果。

一般來(lái)說(shuō)：如果的項(xiàng)目里面沒有使用RTOS，則一般使用的都是這種前后臺(tái)系統(tǒng)。

3

多線程系統(tǒng)

相比前后臺(tái)系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的事件響應(yīng)也是在中斷中完成的，但是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(jí)，優(yōu)先級(jí)高的線程會(huì)被優(yōu)先執(zhí)行。

當(dāng)一個(gè)緊急的事件在中斷被標(biāo)記之后，如果事件對(duì)應(yīng)的線程的優(yōu)先級(jí)足夠高，就會(huì)立馬得到響應(yīng)。相比前后臺(tái)系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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：

intflag1=0;
intflag2=0;
intflag3=0;

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*OS初始化*/
RTOSInit();

/*OS啟動(dòng)，開始多線程調(diào)度，不再返回*/
RTOSStart();

while(1);/*程序不會(huì)執(zhí)行到這里*/
}

voidISR1(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag1=1;
}

voidISR2(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag2=2;
}

voidISR3(void)
{
/*置位標(biāo)志位*/
flag3=1;
}

voidDoSomething1(void)
{
/*無(wú)限循環(huán)，不能返回*/
for(;;){
/*線程實(shí)體*/
if(flag1){

}
}
}

voidDoSomething2(void)
{
/*無(wú)限循環(huán)，不能返回*/
for(;;){
/*線程實(shí)體*/
if(flag2){

}
}
}

voidDoSomething3(void)
{
/*無(wú)限循環(huán)，不能返回*/
for(;;){
/*線程實(shí)體*/
if(flag3){

}
}
}

相比前后臺(tái)系統(tǒng)中后臺(tái)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(gè)程序主體分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的，無(wú)限循環(huán)且不能返回的小程序，這個(gè)小程序我們稱之為線程。

每個(gè)線程都是獨(dú)立的，互不干擾的，且具備自身的優(yōu)先級(jí)，它由操作系統(tǒng)調(diào)度管理。加入操作系統(tǒng)后，我們?cè)?a target="_blank">編程的時(shí)候不需要精心地去設(shè)計(jì)程序的執(zhí)行流，不用擔(dān)心每個(gè)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(jiǎn)單了。整個(gè)系統(tǒng)隨之帶來(lái)的額外開銷就是操作系統(tǒng)占據(jù)的那一丁點(diǎn)的FLASH和RAM?，F(xiàn)如今，單片機(jī)的 FLASH和RAM是越來(lái)越大，完全足以抵擋RTOS那點(diǎn)開銷。

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學(xué)習(xí)RTOS的意義到底是什么？

學(xué)習(xí)RTOS，一是項(xiàng)目需要，隨著產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)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(huì)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(shí)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(shí)現(xiàn)更好的職業(yè)規(guī)劃，對(duì)個(gè)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(shí)際每個(gè)系統(tǒng)都有其應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)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(gè)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(duì)新技術(shù)快速入門。