幾點(diǎn)RTOS相比裸機(jī)的優(yōu)勢分享

嵌入式系統(tǒng)中，有很多方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。功能有限的小系統(tǒng)中，無限循環(huán)足夠?qū)崿F(xiàn)小系統(tǒng)的功能。當(dāng)軟件設(shè)計(jì)變得龐大且復(fù)雜時(shí)，開發(fā)者應(yīng)該考慮使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。

下面給大家分享幾點(diǎn)RTOS相比裸機(jī)的優(yōu)勢：

1.硬實(shí)時(shí)響應(yīng)

基于優(yōu)先級搶占的RTOS，根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)需求，執(zhí)行優(yōu)先調(diào)度。有嚴(yán)格時(shí)序限制的任務(wù)可以優(yōu)先執(zhí)行，提高應(yīng)用程序?qū)r(shí)間關(guān)鍵事件的響應(yīng)。

2.系統(tǒng)性能最大化

針對大型的、復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用，使用一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的RTOS，來替代基于輪詢的超循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以生成一個(gè)更有效的設(shè)計(jì)，更小的存儲占用，應(yīng)用可以獲得更多的處理器時(shí)間。

3.降低復(fù)雜度

RTOS允許應(yīng)用劃分為一個(gè)個(gè)小的自主運(yùn)行的任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行自己的上下文中，不依賴其它任務(wù)或調(diào)度器。

4.高峰負(fù)載管理

RTOS提供了為管理系統(tǒng)高峰活動(dòng)提供了一個(gè)有效的方法。更高的優(yōu)先級分配給執(zhí)行峰值負(fù)載活動(dòng)的任務(wù)，確保他們在臨界時(shí)間內(nèi)訪問處理器，在此期間，較低優(yōu)先級的任務(wù)被延遲。

5.緊密集成的中間件

RTOS的模塊化設(shè)計(jì)使得它可以很容易的增加中間件。中間件組件以任務(wù)和驅(qū)動(dòng)的方式增加。他們使用RTOS提供的資源與其它任務(wù)通信?；谙鄳?yīng)的事件被RTOS調(diào)度。

6.更大的開發(fā)團(tuán)隊(duì)

每個(gè)任務(wù)可以被認(rèn)為是一個(gè)項(xiàng)目。通過RTOS提供的資源（隊(duì)列、信號量等）來定義輸入輸出。將系統(tǒng)定義為一個(gè)個(gè)的任務(wù)，可以更容易的部署更多開發(fā)人員到一個(gè)項(xiàng)目。

7.易于調(diào)試和驗(yàn)證

系統(tǒng)劃分為功能明確的任務(wù)，不依賴其它任務(wù)。在整個(gè)系統(tǒng)集成之前，可以很容易的調(diào)試和驗(yàn)證每個(gè)任務(wù)。

8.代碼重用

RTOS系統(tǒng)中的模塊化設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)將軟件功能創(chuàng)建為獨(dú)立的、驗(yàn)證過的任務(wù)。其獨(dú)立性使得在其它設(shè)計(jì)中重用這些模塊變得很簡單。

現(xiàn)在MCU資源相比以前更多了，很多場景都適合跑RTOS，當(dāng)然，也有少部分場景跑裸機(jī)就夠了。

01

邏輯系統(tǒng)

裸機(jī)系統(tǒng)通常分成輪詢系統(tǒng)和前后臺系統(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，大概的偽代碼具體如代碼清單所示：

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(dòng)的就能完成的事情。在代碼清單 1-1 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外部信號的事件，用來模擬緊急報(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、前后臺系統(tǒng)

相比輪詢系統(tǒng)，前后臺系統(tǒng)是在輪詢系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了中斷。外部事件的響應(yīng)在中斷里面完成，事件的處理還是回到輪詢系統(tǒng)中完成，中斷在這里我們稱為前臺， main 函數(shù)里面的無限循環(huán)我們稱為后臺，大概的偽代碼見代碼清單所示：

int?flag1 =?0;
int?flag2 =?0;
int?flag3 =?0;

int?main(void)
{
?/* 硬件相關(guān)初始化 */
?HardWareInit();

?/* 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(shí)間很短，則在中斷里面處理
?如果事件處理時(shí)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(shí)間很短，則在中斷里面處理
?如果事件處理時(shí)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(shí)間很短，則在中斷里面處理
?如果事件處理時(shí)間比較長，在回到后臺處理 */
?DoSomething3();
}

在順序執(zhí)行后臺程序的時(shí)候，如果有中斷來臨，那么中斷會(huì)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，但是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(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，前后臺系統(tǒng)運(yùn)用的好，堪稱有操作系統(tǒng)的效果。

02

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，優(yōu)先級高的線程會(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，如果事件對應(yīng)的線程的優(yōu)先級足夠高，就會(huì)立馬得到響應(yīng)。相比前后臺系統(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：

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

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(shí)體 */
? ?if?(flag1) {

? ?}
?}
}

void?DoSomething2(void)
{
?/* 無限循環(huán)，不能返回 */
?for?(;;) {
? ?/* 線程實(shí)體 */
? ?if?(flag2) {

? ?}
?}
}

void?DoSomething3(void)
{
?/* 無限循環(huán)，不能返回 */
?for?(;;) {
? ?/* 線程實(shí)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(gè)程序主體分割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的，無限循環(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，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(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單了。整個(gè)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(diǎn)的 FLASH 和 RAM?，F(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(diǎn)開銷。

輪詢、前后臺和多線程系統(tǒng)軟件模型區(qū)別：

審核編輯：黃飛