文章將介紹實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS，分析為什么在嵌入式系統(tǒng)中使用它。

什么是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的定義：

一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以大致分為四個(gè)部分：硬件（Hardware），操作系統(tǒng)（operating system），應(yīng)用程序（application programs），使用者（user）。

硬件包含了CPU，存儲(chǔ)空間，輸入輸出設(shè)備等為整個(gè)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的計(jì)算資源。

操作系統(tǒng)是一個(gè)控制程序，作為硬件和應(yīng)用程序之間的橋梁，主要是和硬件打交道，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分配計(jì)算資源和內(nèi)存資源給不同的應(yīng)用程序使用，并防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障。面對(duì)來(lái)自不同應(yīng)用程序的大量且互相競(jìng)爭(zhēng)的資源請(qǐng)求，操作系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)調(diào)度算法和內(nèi)存管理算法盡可能把資源公平，有效率地分配給不同的程序。

應(yīng)用程序則通過(guò)調(diào)用操作系統(tǒng)提供的API接口獲得相應(yīng)資源完成指定的任務(wù)。

一個(gè)通用操作系統(tǒng)提供的主要功能有（可見(jiàn)下圖藍(lán)色的部分）：

任務(wù)（應(yīng)用程序）的調(diào)度管理

堆棧和內(nèi)存管理

文件管理

隊(duì)列管理

中斷和定時(shí)器管理

資源管理

輸入輸出管理

值得注意的是，操作系統(tǒng)自身需要占用一定的計(jì)算資源和內(nèi)存資源，對(duì)于片上資源有限的單片機(jī)，可能需要根據(jù)需求剪裁操作系統(tǒng)的大小和功能。

實(shí)時(shí)性的含義

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS-Real Time Operating System）中實(shí)時(shí)（Real Time）指的是任務(wù)（Task）或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能的線程（Thread）必須在給定的時(shí)間（Deadline）內(nèi)完成。

業(yè)界總有種誤解認(rèn)為如果能堆砌更多的處理器核心數(shù)目，更高的處理器頻率，更大的內(nèi)存，更快的總線速度系統(tǒng)就能一定達(dá)到實(shí)時(shí)性的表現(xiàn)。但是強(qiáng)大的計(jì)算能力并不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子比如汽車(chē)中的安全氣囊，在傳感器檢測(cè)到汽車(chē)發(fā)生碰撞后，安全氣囊需要在30ms內(nèi)完全打開(kāi)，不然司機(jī)和乘客的人身安全將受到極大的威脅。即使車(chē)載ECU有很強(qiáng)大的計(jì)算能力，但是如果因?yàn)橐獔?zhí)行其他復(fù)雜計(jì)算任務(wù)或者任務(wù)調(diào)度的問(wèn)題導(dǎo)致對(duì)汽車(chē)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和安全氣囊的響應(yīng)時(shí)間超過(guò)規(guī)定的時(shí)間，實(shí)時(shí)性無(wú)法得到保障導(dǎo)致系統(tǒng)失效和人員傷亡，這將會(huì)是非常嚴(yán)重的系統(tǒng)問(wèn)題。

再舉個(gè)例子比如特斯拉的車(chē)載系統(tǒng)：車(chē)機(jī)系統(tǒng)采用的是Linux系統(tǒng)，而汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)模塊和剎車(chē)模塊使用的是各自獨(dú)自的系統(tǒng)。整個(gè)娛樂(lè)系統(tǒng)，觸摸屏以及智能駕駛系統(tǒng)，都與汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)完全分開(kāi)，確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

一些其它的實(shí)時(shí)任務(wù)包括導(dǎo)彈的制導(dǎo)，無(wú)人駕駛等。為了保障這些實(shí)時(shí)任務(wù)能在給定的時(shí)間內(nèi)完成，需要一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能盡力保障每個(gè)任務(wù)能在一個(gè)已知的最大運(yùn)行時(shí)間（Maximum Response Time）內(nèi)完成，包括：

對(duì)中斷和內(nèi)部異常的處理

對(duì)安全相關(guān)的事件的處理

任務(wù)調(diào)度機(jī)制等

當(dāng)然系統(tǒng)的穩(wěn)定性不能僅僅依靠實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，安全功能（fail-safe function）相關(guān)的設(shè)計(jì)也是必須要考慮到的。在Netflix的紀(jì)錄片《一落千丈：波音大調(diào)查》中就提到，導(dǎo)致兩起波音最新機(jī)型737 Max的失事事故的直接原因在于當(dāng)飛機(jī)的迎角傳感器發(fā)生故障，機(jī)上裝載的機(jī)動(dòng)特性增強(qiáng)系統(tǒng)（MCAS）誤認(rèn)為飛機(jī)處于失速狀態(tài)，無(wú)視飛行員的操縱強(qiáng)制自動(dòng)接管飛機(jī)，持續(xù)壓機(jī)頭導(dǎo)致了慘劇的發(fā)生。可見(jiàn)縱使波音的飛控系統(tǒng)非常穩(wěn)定，但如果對(duì)傳感器的數(shù)值判定和使用不當(dāng)并缺少安全性冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性依然無(wú)法得到保障。

操作系統(tǒng)的種類(lèi)

目前比較流行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括黑莓QNX，FreeRTOS，uCOS，RT-Thread等。在上圖中可以看出，除了Linux和Windows通用操作系統(tǒng)外，接下來(lái)便是FreeRTOS受到廣大開(kāi)發(fā)者的青睞。圖表中也羅列了一些國(guó)產(chǎn)的系統(tǒng)。比如騰訊發(fā)布和開(kāi)源的TencentOS tiny，這是一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。華為也推出了鴻蒙LiteOS， 萬(wàn)物互聯(lián)未來(lái)可期。和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System）相對(duì)應(yīng)的是通用操作系統(tǒng)（General Purpose Operating System）。

通用操作系統(tǒng)包括Linux，Windows，MAC等主流的操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)大家每天都在使用，功能也十分強(qiáng)大，只是它們有時(shí)為了保障系統(tǒng)的流暢運(yùn)行，就不能保證每個(gè)程序都能實(shí)時(shí)響應(yīng)，在易用性和實(shí)時(shí)性之間有所取舍。而且單片機(jī)有限的片上資源也不足以支撐通用操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

正所謂術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻，在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

FreeRTOS的介紹

FreeRTOS 是一個(gè)迷你的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時(shí)器、協(xié)程等，可基本滿(mǎn)足較小系統(tǒng)的需要。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源（尤其是RAM資源），只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對(duì)μC/OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行。

FreeRTOS的官網(wǎng)地址：https://www.freertos.org/

官網(wǎng)上會(huì)有關(guān)于FreeRTOS的最新新聞和技術(shù)文檔，如果大家吃透了FreeRTOS的技術(shù)文檔的話，其實(shí)也就不需要讀文章了哈哈。

FreeRTOS的特性

具有搶占式或者合作式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核

功能可裁剪，最小占用10kB左右rom空間，0.5kB ram空間

具有低功耗模式

有互斥鎖、信號(hào)量、消息隊(duì)列等功能

運(yùn)行過(guò)程可追蹤

STM32CubelDE

STM32CubeIDE 是一個(gè)多功能的集成開(kāi)發(fā)工具，集成了TrueSTUDIO和STM32CubeMX，它是STM32Cube軟件生態(tài)系統(tǒng)的一部分。STM32CubeIDE是一個(gè)先進(jìn)的C/C++開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有STM32微控制器的IP配置，代碼生成，代碼編譯和調(diào)試功能。

相對(duì)而言對(duì)使用STM32平臺(tái)的童鞋們來(lái)說(shuō)使用FreeRTOS非常方便和強(qiáng)大，因?yàn)樗患傻搅薙TM32的開(kāi)發(fā)環(huán)境當(dāng)中。

如上圖所示，強(qiáng)烈安利使用STM32CubeIDE進(jìn)行STM32平臺(tái)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。通過(guò)舉手之間的配置，F(xiàn)reeRTOS就被部署到了項(xiàng)目中去。在項(xiàng)目結(jié)構(gòu)中中間件（Middlewares）你可以看到FreeRTOS這個(gè)文件。同時(shí)FreeRTOS的參數(shù)設(shè)置，添加刪除任務(wù)，定時(shí)器，消息隊(duì)列等都可以通過(guò)下面的圖形化界面進(jìn)行配置，之后文章會(huì)詳細(xì)介紹。

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和HAL庫(kù)

還有一點(diǎn)要說(shuō)明的事情，STM的開(kāi)發(fā)包括寄存器開(kāi)發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件開(kāi)發(fā)，還有HAL庫(kù)開(kāi)發(fā)三種開(kāi)發(fā)方式。市面上很多應(yīng)用教程都是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)設(shè)計(jì)的。本系列教程將統(tǒng)一采用HAL（Hardware Abstraction Layer）庫(kù)，這是一個(gè)痛苦的選擇，但是因?yàn)?a href="http://m.xsypw.cn/tags/意法半導(dǎo)體/" target="_blank">意法半導(dǎo)體（ST）已經(jīng)停止對(duì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件的維護(hù)和開(kāi)發(fā)，為了與時(shí)俱和移植性便利性選擇了HAL庫(kù)。HAL庫(kù)的原理和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)大同小異，所以學(xué)起來(lái)其實(shí)并不會(huì)太累，只是需要跳離舒適區(qū)慢慢適應(yīng)。

審核編輯 ：李倩