我們到底該不該從裸奔走向操作系統(tǒng)呢？

朱天龍

RT-Thread技術(shù)總監(jiān)

Github中國(guó)區(qū)C語(yǔ)言類排名第24

嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、功能復(fù)雜化的趨勢(shì)，使越來(lái)越多的、過(guò)去可以用裸奔實(shí)現(xiàn)的嵌入式產(chǎn)品，產(chǎn)生了應(yīng)用操作系統(tǒng)的需求。芯片成本的連續(xù)下降，以及cpu性能和內(nèi)存資源的迅速提高，又為大面積應(yīng)用操作系統(tǒng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。那么我們到底該不該從裸奔走向操作系統(tǒng)呢？

回顧裸機(jī)時(shí)代

我第一次接觸到嵌入式，大概是在 2008 年，那時(shí)候還是大二，剛開始學(xué) 51 單片機(jī)，自然還是要從裸機(jī)開始跑。因?yàn)樽约菏怯?jì)算機(jī)系的，以前寫程序都是跑在 PC 機(jī)上的，現(xiàn)在竟然能在電路板上執(zhí)行軟件，感覺完全不一樣，至今還記得我第一次跑通流水燈的喜悅。但是隨著寫的裸機(jī)軟件越來(lái)越多，裸機(jī)所暴露的問(wèn)題也越來(lái)越多，這里我給大家總結(jié)下吧：

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。

模塊化：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。

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)，我前些年開源過(guò)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)上還是沒法用這個(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。

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?；剡^(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。

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。

操作系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)

第一次接觸操作系統(tǒng)，是在 2010 年左右，那時(shí) STM32 已經(jīng)開始流行起來(lái)，這么強(qiáng)大的單片機(jī)，有很多人都在上面跑操作系統(tǒng)，我也跟著移植了 ucos ，在上面還跑了 ucgui ，這個(gè)時(shí)候?qū)憫?yīng)用完全是一種全新的體驗(yàn)，爽了很多，玩了一年了 ucos ，后來(lái)接觸到咱們國(guó)產(chǎn)的 RT-Thread ，在它上面有很多現(xiàn)成的、拿來(lái)即用組件，試用以后發(fā)現(xiàn)更爽，就一直用到了今天，大概有 8 年了。也跟大家也聊一聊操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：

線程方式的并發(fā)任務(wù)處理，解決模塊化問(wèn)題，同時(shí)保證實(shí)時(shí)性

模塊化：使用了操作系統(tǒng)以后，整個(gè)軟件的工作被拆分成了由多個(gè)任務(wù)來(lái)構(gòu)成（也會(huì)被稱為線程），每個(gè)線程有自己獨(dú)立的運(yùn)行空間，即線程堆棧，這個(gè)時(shí)候每個(gè)線程你玩你的，我做我的，咱們大家互補(bǔ)干涉，模塊化程度得到很好的提高。

并發(fā)性：從并發(fā)的角度來(lái)看，各個(gè)線程在使用 delay/事件等待 這類函數(shù)時(shí)，會(huì)自動(dòng)的讓出 CPU 給其他有需要的線程，不僅書寫 delay 延時(shí)函數(shù)操的心少了，整個(gè) CPU 的利用率也得到了提高，最終提升并發(fā)性。

實(shí)時(shí)性：再來(lái)看實(shí)時(shí)性，像 ucos/RT-Thread 這些 RTOS 本身就被設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，各個(gè)線程都有不同的優(yōu)先級(jí)別，重要的線程可以設(shè)為高優(yōu)先級(jí)，不重要的線程可以降低優(yōu)先級(jí)，做好全局的統(tǒng)籌規(guī)劃后，這樣整個(gè)軟件的實(shí)時(shí)性也能得到保證。

開發(fā)效率：

由于操作系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的抽象接口層，方便了可重用組件的積累，提高開發(fā)效率

操作系統(tǒng)其實(shí)是一群軟件大牛們智慧的結(jié)晶，他們站在應(yīng)用軟件、底層驅(qū)動(dòng)的開發(fā)角度，對(duì)很多常見的軟件功能進(jìn)行了封裝、抽象，比如：信號(hào)量、事件通知、郵箱、環(huán)形緩沖區(qū)、單向鏈表/雙向鏈表等等，這些功能拿來(lái)即用，對(duì)于開發(fā)者方便極了

還有一些操作系統(tǒng)，比如：Linux 和我們國(guó)產(chǎn)的 RT-Thread ，他們這些系統(tǒng)對(duì)碎片化的硬件，統(tǒng)一封裝了一套標(biāo)準(zhǔn)的硬件操作接口，一般稱為設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架。這樣我們的應(yīng)用軟件工程師，就可以專攻應(yīng)用的工作，再也不用怕更換硬件，又需要重復(fù)造輪子了。

軟件生態(tài)：

生態(tài)的豐富帶來(lái)了量變到質(zhì)變的過(guò)程（自己玩->大家一起玩）

使用操作系統(tǒng)所帶來(lái)的軟件可模塊化、重用性的提升，也使得我們自己在做軟件開發(fā)時(shí)，可以封裝一套基于操作系統(tǒng)、適合嵌入式的可重用組件，這些組件不僅可以用在自己的項(xiàng)目中，還能開源出來(lái)分享給更多有需要的嵌入式開發(fā)者，把軟件的價(jià)值最大化。

個(gè)人感覺這是一件蠻有意義事情，我自己本身也是一名開源極客，也有在 GitHub 上開源一些嵌入式軟件。說(shuō)實(shí)話在做開源軟件前，能夠深入交流嵌入式軟件的地方非常少，畢竟大家的代碼不是芯片不一樣，就是硬件不一樣，你的代碼給了他，也不一定能運(yùn)行起來(lái)。但是自從用了操作系統(tǒng)后，軟件的可重用性提高了，能夠讓更多的人很迅速的用起來(lái)我的開源軟件，這個(gè)時(shí)候能夠有更多的人可以一起交流，還接觸到了很多的大牛們，甚至是國(guó)外的朋友。俗話說(shuō)：水漲船高，我的能力也從此得到了快速的提升。所以總結(jié)下來(lái)，有一個(gè)能一起交流嵌入式軟件圈子還是蠻重要的，自己閉門造車，可能都是在重復(fù)造輪子。

常見RTOS優(yōu)勢(shì)對(duì)比

ucos/freertos/RT-Thread，選擇這三款 OS 的原因是，它們的年限都比較長(zhǎng)了，在市面上都蠻有知名度，用過(guò)的人比較多，更有說(shuō)服力。

基本功能、性能：各家 RTOS 差異很小，可比性并不是很大

易用性/可讀性：這塊 FreeRTOS 應(yīng)該說(shuō)是最差，奇葩的匈牙利命名法，代碼實(shí)現(xiàn)用了很多宏，可讀性非常差。ucos 可讀性還可以，注釋也很全。這塊做的比較好的是 RT-Thread ，它是類 Linux 的代碼風(fēng)格，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式，代碼簡(jiǎn)潔易懂。在保證了體積（最小 ROM：3K RAM：1.5K）的同時(shí)，還借鑒了 Linux 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架、虛擬文件系統(tǒng)、Shell 等功能，設(shè)計(jì)更加優(yōu)雅。

組件豐富性：RT-Thread 比起傳統(tǒng) UCOS、FreeRTOS 不僅僅在基礎(chǔ)功能上多而全，多達(dá) 50 個(gè)以上的可重用軟件組件，還有很多物聯(lián)網(wǎng)組件，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品幾乎做到開箱即用。RT-Thread 還可以運(yùn)行 Python、JavaScript、Lua 這些高級(jí)語(yǔ)言的腳本，進(jìn)一步降低開發(fā)難度。

RT-Thread架構(gòu)圖

開發(fā)資料：這塊 ucos 做的最好，還有配套相關(guān)的書籍，F(xiàn)reeRTOS 屬于后起之秀，網(wǎng)上也有很多相關(guān)資料。RT-Thread 這塊之前還是略顯薄弱的，不過(guò)現(xiàn)在 RT-Thread 對(duì)這塊非常重視，最直觀的可以看到官網(wǎng)上的應(yīng)用筆記越來(lái)越多了，還有一些配套教學(xué)視頻。

版權(quán)：ucos 商業(yè)是要收費(fèi)的，F(xiàn)reeRTOS 和 RT-Thread 版權(quán)都很寬松，特別是RT-Thread剛剛使用了Apache許可協(xié)議。

社區(qū)生態(tài)：這三款 RTOS 的社區(qū)都比較活躍，現(xiàn)在可以感覺到 ucos 慢慢的用的人越來(lái)越少了，RT-Thread 和 FreeRTOS 用的人都在增多。RT-Thread 也是開發(fā)者最多的國(guó)產(chǎn) RTOS，并且還擁有國(guó)內(nèi)最大的嵌入式開源軟件社區(qū)。