選擇合適的操作系統對于項目的成功至關重要。了解如何在Raspberry Pi上使用RTOS，并看看你有哪些選擇吧！

從OS到RTOS

Raspberry Pi是由Raspberry Pi基金會推出的一系列單板計算機（SBC）。它們最初是作為教育工具開發的，但后來被廣泛用于各種項目，包括機器人技術、家庭自動化、物聯網、個人和商業用途。這些信用卡大小的計算機能夠執行普通電腦的任務，如文字處理、編程和網絡瀏覽。

在個人臺式計算機上，你可能使用的是像Windows、MacOS或Linux這樣的全功能操作系統。（有些Raspberry Pi能夠運行Windows，但它們的原生操作系統是基于Linux的。）但有時，這些類型的操作系統對于你的任務來說過于占用資源。對于某些項目，實時操作系統（RTOS）是更合適的選擇。

Pi上的RTOS

顧名思義，RTOS是為時間關鍵型用例設計的，換句話說，就是那些必須滿足時間要求的項目。這類項目的例子可以在航天器系統、心臟起搏器和空中交通管制中找到。與通用計算系統相比，這些現實世界的應用需要精確的時間限制來管理和優先處理任務。

必須指出的是，使用像Arduino這樣的微控制器板來處理實時任務是更常見的做法。也就是說，Raspberry Pi單板計算機價格低廉，擁有龐大的社區，并提供充足的教育資源來幫助你入門。Raspberry Pi基金會還發布了他們的第一塊微控制器板——Raspberry Pi Pico。

局限性

如果你打算在Raspberry Pi單板計算機上運行RTOS，那么需要注意一些局限性。RTOS系統的一個重要要求是足夠的隨機訪問存儲器（RAM），而較舊的Raspberry Pi型號可能沒有這一點。根據你的具體用途，你還需要注意你的板子的最大時鐘速度（Raspberry Pi4可以達到1,500 MHz，但這并不適用于整個系列）。

此外，Raspberry Pi單板計算機沒有實時時鐘（RTC），而是通過互聯網連接來保持時間。這可能意味著對于時間關鍵型反饋應用來說，可靠性和準確性會降低。然而，這個問題有解決辦法，比如添加一個實時時鐘模塊。事實上，Raspberry PiPico已經配備了RTC硬件。

（請注意，RTC中的“實時”與RTOS中的“實時”含義不同。前者是指能夠在現實世界中顯示時間的設備，而后者是指電子設備中的不間斷計時。）

如果你有一個需要RTOS的項目，那么有很多選擇可供選擇。讓我們來看看Raspberry Pi上一些最好的RTOS選項！

FreeRTOS

從名字上你可能就能猜到，FreeRTOS是一個用于嵌入式系統的免費開源RTOS。它是一個相對較小的應用程序，由不到9,000行代碼組成，包括注釋！盡管體積小，但它能夠優先處理、調度和運行用戶定義的任務。其代碼的約40%處理任務之間的通信，因此它是具有競爭優先級項目的強大選擇。

FreeRTOS正在積極開發和支持，甚至可用于商業應用。這意味著用戶可以使用FreeRTOS將其產品推向市場，而無需獲得開發者的許可或支付費用。

GitHub用戶jameswalmsley已經為Raspberry Pi整合了一個FreeRTOS的基本端口，如果你想自己嘗試，這將是一個很好的起點。

• 開發者：Richard Barry（現在由亞馬遜網絡服務管理）

• 用途：時間關鍵型嵌入式系統應用的單一、獨立解決方案；更小、更易使用的選項

• 顯著特性和功能：提供多線程或多任務、互斥量、信號量和軟件定時器的方法；低功耗應用的無滴答模式

ChibiOS

ChibiOS是一個緊湊且快速的實時操作系統。盡管體積小（盡管不如FreeRTOS那么小），但在性能上毫不妥協。它可以從8位架構向上擴展，功能完整，具有完全靜態的架構以及清晰優雅的代碼庫。

如果你想使用它，ChibiOS在三種許可下可用：有免費的開源和商業選項，以及一個用于大規模部署的付費完全商業許可。

GitHub用戶steve-bate分享了ChibiOS的Raspberry Pi端口，并提供了一個有用的入門指南，包括硬件解釋。

• 開發者：Giovanni Di Sirio

• 用途：緊湊、快速的RTOS

• 顯著特性和功能：對于大多數內部數據結構（如就緒列表、計時器列表和線程隊列）使用高效的雙向循環鏈表

RTEMS

多處理器系統實時執行體（RTEMS）是一個支持開放應用程序接口（API）標準（如可移植操作系統接口POSIX）的開源選項。它已被用于太空飛行、醫療應用、網絡以及許多其他嵌入式系統。

RTEMS定期更新穩定版本，并有一個Discord服務器用于社區支持。

與這個列表上的其他一些選項不同，RTEMS直接支持Raspberry Pi硬件。如果你想試試它，可以從RTEMS網站下載軟件包，還有一個有用的設置指南。

開發者：OAR公司

用途：太空飛行、醫療行業、網絡等應用

顯著特性和功能：為Raspberry Pi提供指定支持包

RT-Thread

RT-Thread是一個開源且可擴展的實時操作系統。它與x86、ARM RISC-V和Xtensa硬件兼容，還有一個用于資源受限設備的Nano版本。最小內核只需要1.2 KB的RAM和3 KB的閃存，這遠遠少于你的Raspberry Pi可能擁有的可用資源。

RT-Thread特別支持基于RP2040的開發板，如Raspberry PiPico，它還列出了對Raspberry Pi2、3和4型號的支持。還有一個圖形化集成開發環境（IDE）（RT-Thread Studio），這使得這個RTOS對于經驗較少的開發者來說更加易用。

開發者：Bernard Xiong & RT-Thread團隊

用途：嵌入式應用和物聯網設備

顯著特性和功能：為多個Raspberry PiSBC型號和Pico提供指定支持；圖形化IDE

NuttX

NuttX是一個實時操作系統（RTOS），專注于標準合規性，特別是POSIX和美國國家標準協會（ANSI）的標準。它的第二個重點是可伸縮性，并且與從8位到64位的微控制器環境兼容。

它已被移植到新的Raspberry PiPico和基于RP2040微控制器的其他主板上。它完全支持其兩個ARM Cortex-M0+核心上的對稱多處理（SMP）操作。

• 開發者：格雷戈里·納特（Gregory Nutt）

• 預期用途：符合國際標準的RTOS

• 顯著特點和功能：體積小、可伸縮性強

TrampolineRTOS

Trampoline是為小型嵌入式系統設計的靜態RTOS，這意味著用戶可以對內存分配進行更多控制。這種類型的RTOS操作起來更復雜，但對于重復任務來說，它可以是一個更穩定且可預測的選擇。

Trampoline API與汽車標準保持一致，但這不僅僅是一個局限于單一行業的簡單選擇。文檔中特別支持早期Raspberry Pi型號中使用的博通BCM2836處理器，因此，如果你手頭有舊款的Raspberry Pi，這將是一個安全且穩定的選擇。

• 開發者：LS2N的實時系統小組

• 預期用途：汽車領域的嵌入式RTOS

• 顯著特點和功能：靜態RTOS；支持舊款Raspberry Pi型號

RODOS

實時機載可靠操作系統（RODOS）是另一個開源的嵌入式選項，最初是為控制衛星而開發的，所以你可以相信它的準確性！畢竟，它是在德國航空航天中心開發的，至今仍用于該中心的微衛星項目。

RODOS可以獨立運行（“裸機”）或在另一個操作系統之上運行，這使其能夠靈活應用于各種項目類型。

• 開發者：維爾茨堡大學信息學研究所

• 預期用途：衛星控制或任何需要高可靠性的應用

• 顯著特點和功能：超快速啟動；線程安全的通信和同步

Mbed (Linux) OS

最后，Mbed OS是一個為物聯網（IoT）設備設計的開源嵌入式操作系統。它包括基于ARM Cortex-M微控制器開發IoT設備所需的所有功能。雖然Mbed OS目前還不支持Raspberry Pi主板，但在撰寫本文時，一個針對Raspberry PiPico的移植版本正在開發中，并且過去已經成功實現了一些用于Raspberry Pi的API。

然而，相關的操作系統Mbed Linux OS是專門為Raspberry Pi3等流行開發板所基于的ARM Cortex-A處理器設計的。雖然該存儲庫已不再維護，但仍在GitHub上可訪問，只是要注意，它不再獲得持續支持。

• 開發者：Arm

• 預期用途：嵌入式應用和IoT設備

• 顯著特點和功能：Raspberry PiPico移植版本正在開發中