RTOS實時管理應(yīng)用軟件的開發(fā)挑戰(zhàn)

　　普通人每天與手機、汽車、家用電器、玩具、收銀機、娛樂電子產(chǎn)品、安全系統(tǒng)、環(huán)境控制和個人電子產(chǎn)品中的數(shù)百個嵌入式處理器進行交互。所有這些產(chǎn)品之間的共同聯(lián)系是它們能夠?qū)崟r響應(yīng)用戶、外部事件和通信渠道。

　　這些嵌入式設(shè)備的軟件可以分為應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)（OS）軟件。應(yīng)用軟件使產(chǎn)品獨一無二，并包含使產(chǎn)品符合其規(guī)格所需的數(shù)據(jù)收集、信號處理和硬件控制例程。操作系統(tǒng)允許程序員將大型應(yīng)用程序分解為更小的、單獨開發(fā)的進程或任務(wù)。

　　操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，它調(diào)度程序的執(zhí)行并管理共享資源。實時操作系統(tǒng) （RTOS） 在保證的最長時間內(nèi)處理來自定時器或外部事件的硬件請求或中斷。程序員通過 API 與操作系統(tǒng)交互并設(shè)置優(yōu)先級和數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。在執(zhí)行期間，RTOS 通過一系列外部實時活動來管理應(yīng)用軟件。

　　內(nèi)部代碼

　　即使具有 RTOS 的優(yōu)勢，國產(chǎn)操作系統(tǒng)仍然在嵌入式實時產(chǎn)品中占據(jù)不小的比例。開發(fā)人員有多種動機可以完全繞過商業(yè) RTOS 并編寫自己的實時例程。開發(fā)人員不選擇商業(yè)操作系統(tǒng)的最大原因是缺乏需求。只需運行一項任務(wù)，設(shè)計人員認(rèn)為他們可以輕松跟蹤所需的硬件交互。

　　特殊情況有時證明內(nèi)部軟件是合理的。例如，便攜式醫(yī)療保健設(shè)備的設(shè)計目標(biāo)可以包括低成本、低功耗和一年的電池待機壽命，無需額外的內(nèi)存和處理能力來支持商業(yè) RTOS。此外，如果一個新項目是對先前項目的升級，開發(fā)人員可能希望盡可能多地使用遺留代碼。

　　并非同一家公司發(fā)明的組件也可能是許多開發(fā)人員編寫自己的操作系統(tǒng)的原因之一。將第三方軟件安裝到他們的展示產(chǎn)品中就像承認(rèn)他們在某種程度上無法勝任這項任務(wù)。此外，開發(fā)人員可能認(rèn)為他們將失去進行軟件調(diào)整以補償硬件更改或糾正錯誤的能力。設(shè)計人員可以輕松調(diào)整執(zhí)行順序或使用匯編語言來解決內(nèi)部開發(fā)軟件的關(guān)鍵時序問題。然而，在商業(yè) RTOS 中，調(diào)度程序處理了許多時序問題，因此開發(fā)人員失去了完全控制的感覺。最后，程序員將貼紙震驚列為編寫自己的操作軟件的另一個原因。

　　軟件快捷方式

　　隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的增加和項目進度的縮短，軟件已經(jīng)取代硬件成為大多數(shù)嵌入式開發(fā)項目中價格最高的項目。如果設(shè)計團隊可以購買 RTOS 并消除軟件結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜部分的編碼、調(diào)試和文檔，那么購買決定應(yīng)該得到仔細(xì)考慮。盡管商業(yè) RTOS 可能很昂貴，但較小的開發(fā)團隊和較短的項目時間框架可能會節(jié)省足夠多的成本來證明購買的合理性。

　　RTOS 允許程序員編寫?yīng)毩⒌?、可重用的模塊，以降低軟件復(fù)雜性并縮短開發(fā)進度。程序員可以獨立編寫每個軟件例程，而不會陷入任務(wù)間時序問題。大多數(shù) RTOS 供應(yīng)商提供完整的交互式開發(fā)環(huán)境，包括源代碼編輯器、代碼管理器、鏈接器、下載器、運行時工具和一個或多個調(diào)試器。軟件供應(yīng)商還提供軟件性能分析工具，以幫助分析和可視化應(yīng)用程序例程中的實時活動。程序員可以監(jiān)控哪些任務(wù)正在運行，觀察數(shù)據(jù)流，并檢測任務(wù)何時以及多久被更高優(yōu)先級的項目中斷。RTOS 供應(yīng)商一致認(rèn)為，高質(zhì)量的開發(fā)工具可以顯著縮短調(diào)試時間。

　　除了節(jié)省成本外，RTOS 供應(yīng)商還列舉了多種技術(shù)原因來證明其產(chǎn)品的合理性。例如，如果應(yīng)用程序涉及大量數(shù)據(jù)處理，則可以輕松擴展許多 RTOS，以將任務(wù)分散到多個處理器上，從而顯著提升性能。RTOS 提供通信和同步服務(wù)以使多處理透明化。此外，與多核處理器一起工作的現(xiàn)成 RTOS 簡化了新設(shè)計或產(chǎn)品更新中的舊代碼集成。

　　商業(yè) RTOS 是模塊化的，因此用戶只能選擇他們需要的操作系統(tǒng)的那些部分或功能。指定成熟商業(yè) RTOS 的子集可以降低采購成本和所需的內(nèi)存占用。在當(dāng)前的連接趨勢下，即使是最簡單的嵌入式產(chǎn)品也可能需要連接到 Internet 并通過 Internet 發(fā)送數(shù)據(jù)。圖形用戶界面也可能成為小型嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，即使只是為了維護。這些功能在大多數(shù)商業(yè) RTOS 中都包含或可選地可用，但可能非常昂貴或不可能添加到專有操作系統(tǒng)中。供應(yīng)商還將產(chǎn)品按需技術(shù)支持作為商業(yè) RTOS 的主要優(yōu)勢。

　　現(xiàn)成的平臺

　　商業(yè) RTOS 不斷升級以添加新功能并跟上不斷變化的技術(shù)。例如，Wind River 流行的 VxWorks 操作系統(tǒng)最近進行了修改，以提供 64 位計算支持以及改進的多核功能。VxWorks 包括一個外殼、調(diào)試功能、內(nèi)存管理、性能監(jiān)控和對多處理的支持。實時功能包括用于搶先式多任務(wù)處理、中斷響應(yīng)、進程間通信和文件系統(tǒng)的內(nèi)核（參見圖 1 中的框圖）。Wind River Workbench 開發(fā)工具套件和 Intel Integrated Performance Primitives for VxWorks 支持軟件開發(fā)。

　　圖 1： Wind River 的 VxWorks RTOS 適合許多嵌入式應(yīng)用程序，具有 32 位或 64 位處理、多核支持和眾多連接選項。

　　RTOS 支持對稱多處理 （SMP） 和非對稱多處理 （AMP） 模式下的各種多核配置，或作為 Wind River Hypervisor 之上的客戶操作系統(tǒng)。VxWorks 還具有可配置和可調(diào)的小內(nèi)存占用，允許用戶控制每個項目使用多少操作系統(tǒng)。

　　除了提供大量商業(yè) RTOS 產(chǎn)品外，嵌入式系統(tǒng)社區(qū)還維護一個基于實時內(nèi)核的開源操作系統(tǒng)，可免費用于商業(yè)應(yīng)用程序。FreeRTOS 項目正在持續(xù)積極開發(fā)中，并根據(jù) GNU 通用公共許可證分發(fā)，但有一個可選例外，允許用戶對其專有軟件保密。免費源代碼和沒有經(jīng)常性版稅是小型、低預(yù)算嵌入式項目的流行特性。FreeRTOS 已移植到多個微控制器平臺，并且具有最小的 ROM、RAM 和處理開銷，從而產(chǎn)生了 4 KB 到 9 KB 范圍內(nèi)的典型內(nèi)核二進制映像。盡管內(nèi)核的 FreeRTOS 源代碼僅包含在三個 C 代碼文件中，

　　潛在的開源軟件用戶最大的抱怨是缺乏中央資源來提供類似于商業(yè)軟件供應(yīng)商提供的支持。但是，F(xiàn)reeRTOS 網(wǎng)站有一個活躍的免費支持論壇，開發(fā)人員可以在其中找到技術(shù)問題的答案。為了支持開源平臺，Microchip Technology 提供了 FreeRTOS Microchip PIC32 教育套件。這個 95 美元的套件包括一個開發(fā)板，使用戶能夠在 PIC32 微控制器系列上開發(fā) USB 嵌入式主機、設(shè)備和 On-The-Go 應(yīng)用程序。

　　實時未來

　　盡管程序員在考慮開發(fā)內(nèi)部操作系統(tǒng)的挑戰(zhàn)時可能會感到興奮，但“自己動手”的日子可能正在逐漸消失。設(shè)計人員可以期待實時軟件成為未來嵌入式產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

　　客戶對更快響應(yīng)時間、復(fù)雜功能和即時數(shù)據(jù)訪問的需求不斷增加嵌入式設(shè)計的挑戰(zhàn)。先進的技術(shù)還要求嵌入式產(chǎn)品能夠隨著需求的變化進行定期軟件更新，以及可能轉(zhuǎn)移到下一代硬件平臺。

　　在開始內(nèi)部軟件開發(fā)項目之前，開發(fā)人員應(yīng)該花時間分析他們的系統(tǒng)需求、開發(fā)計劃、軟件支持、可擴展性、通信、可擴展性和未來增長。一個現(xiàn)成的商業(yè) RTOS 甚至開源操作系統(tǒng)可能在你的未來。

　　審核編輯：郭婷