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01、实时操作系统

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（一）概述

RTOS（Real Time OS  Operating System ）即实时操作系统，根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级（类似前面章节的中断抢占优先级），RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。

实时多任务操作系统，以分时方式运行多个任务，任务之间的切换以优先级为根据。只有优先服务方式的RTOS才是真正的实时操作系统。

使用实时操作系统还需要额外的ROM（作用：固化的存储代码）/RAM（作用：代码运行的内存）开销，2～5%的CPU额外负荷，以及内核的费用。

使用实时操作系统的必要性：

嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性

提高了开发效率，缩短了开发周期。例如官方甚至提高网络协议栈、文件系统、图形界面（ucGUI、emWin、QT....）的支持。

嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力。

02、RTOS做嵌入式开发的优势

2.1 软件工程角度分析

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1.并发性

    程序并发工作效率低在写裸机软件时，不可避免的在主程序中会有一个超级大的 while(1) 循环，这里面几乎包含整个项目的所有业务逻辑。因为每个业务逻辑里面都会有 delay 这样的循环等待函数，这样导致了所有的业务逻辑几乎都是串行起来工作的。这个时候 CPU 就会有很多时间都浪费在了延时函数里，一直在空转，导致软件的并发效率非常差。

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2.模块化：高内聚、低耦合的原则

    从软件工程的角度，我们在做软件开发时，都会强调高内聚（功能集中）、低耦合（低干扰）的原则。而裸机的模块化开发难度非常大，模块间的耦合较重，这也导致了无法在大型项目使用裸机来开发。

    还是刚才 main 函数中大 while(1) 的例子，可以想象到那么多功能都紧紧的挤在一个函数里，不可拆分，模块化开发的困难重重。

    举一个非常贴切的例子，在一些使用看门狗的项目中，如果使用 delay 延时函数，那得注意点，万一延时过长，主函数来不及喂狗，看门狗就被触发了。最后会产生这样一种感觉，一个简简单单的 delay 还得考虑喂狗功能，裸机开发时操的心太多了，自然无法应用在大型项目中。

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3.生态：很多高级软件组件，必须依赖于操作系统来实现

    比如说，我前些年开源过一个基于 FreeModbus 的 Modbus 主机协议栈，因为要考虑各个平台适配问题，原本计划支持各种各样的操作系统，甚至是裸机平台。在各个操作系统上的适配都非常容易，但再去尝试着适配裸机时，发现难度重重，有一些函数在裸机上实现起来非常复杂，而且针对于不同的裸机环境，几乎没有通用性可言，太耗费精力了。所以我最终就放弃了裸机适配，一直到现在，在裸机上还是没法用这个 Modbus 主机协议栈。

    还有一些软件无法运行在裸机上，比如：乐鑫、Realtek、 ti 和 联发科 提供的 WIFi SOC SDK ，一些蓝牙 SOC 的 SDK 也都是只支持操作系统，所以，如果你不了解、不会使用操作系统，这些芯片也就玩不转了。

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4.实时性：功能复杂的情况下，实时性无法保证

    软件的实时性在一些领域会有一定的要求，软件的每个步骤必须在指定的时间被触发。工控领域就是最常见到的场景，如果实时性无法保证，机械设备可能就无法按照指定时序要求去动作，以至于发生机械事故，甚至会威胁到人的生命。回过来接着看裸机软件，如果软件变得庞大以后，可以想象到，主程序中那么大的一个 while(1) 循环，代码耦合严重，到处都是 delay 延时，要保证实时性几乎是不可能的。

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5.可重用性：软件可重用性差，总是重复造轮子

    可重用性与模块化程度有直接的关系。相信大家每个人在工作中都不想做很多重复性的工作，同样在写代码时，也想着尽可能少写一些功能相似的代码。但在这个嵌入式碎片化极其严重的时代，各式各样的芯片，想要让同样的代码，在裸机环境下同时适配不同的硬件，难度非常大。这样也就导致了裸机的代码会过多的依赖于底层硬件，重复造轮子的过程也就不可避免。

03、操作系统带来的优势

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线程方式的并发任务处理，解决模块化问题，同时保证实时性。

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1. 模块化

    使用了操作系统以后，整个软件的工作被拆分成了由多个任务来构成（也会被称为线程），每个任务有自己独立的运行空间，即任务堆栈，这个时候每个任务你玩你的，我做我的，咱们大家互补干涉，模块化程度得到很好的提高。

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2. 并发性

    从并发的角度来看，各个线程在使用 delay/事件等待 这类函数时，会自动的让出 CPU 给其他有需要的线程，不仅书写 delay 延时函数操的心少了，并发的好处就是能够在更细的粒度来尽可能的提高CPU的利用率。

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3. 实时性

    再来看实时性，像 ucos/RT-Thread 这些 RTOS 本身就被设计为实时的操作系统，各个线程都有不同的优先级别，重要的线程可以设为高优先级，不重要的线程可以降低优先级，做好全局的统筹规划后，这样整个软件的实时性也能得到保证。

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4. 开发效率

    由于操作系统提供了统一的抽象接口层，方便了可重用组件的积累，提高开发效率。

    操作系统其实是一群软件大牛们智慧的结晶，他们站在应用软件、底层驱动的开发角度，对很多常见的软件功能进行了封装、抽象，比如：信号量、事件通知、邮箱、环形缓冲区、单向链表/双向链表等等，这些功能拿来即用，对于开发者方便极了

    还有一些操作系统，比如：Linux 和我们国产的 RT-Thread ，他们这些系统对碎片化的硬件，统一封装了一套标准的硬件操作接口，一般称为设备驱动框架。这样我们的应用软件工程师，就可以专攻应用的工作，再也不用怕更换硬件，又需要重复造轮子了。

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5. 软件生态

    生态的丰富带来了量变到质变的过程（自己玩->大家一起玩）。

    使用操作系统所带来的软件可模块化、重用性的提升，也使得我们自己在做软件开发时，可以封装一套基于操作系统、适合嵌入式的可重用组件，这些组件不仅可以用在自己的项目中，还能开源出来分享给更多有需要的嵌入式开发者，把软件的价值最大化。

09、三大操作系统

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1.UCOS官网

网址:https://www.micrium.com/ 

2.RT-Thread

国产操作系统，YYDS

网址:https://www.rt-thread.org/

3.FreeRTOS

网址:https://www.freertos.org/

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市场占用率 就业选择好方向

10、推荐代码框架

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1.一个任务管理一个硬件

2.任务与任务或任务与中断涉及到数据传输使用消息队列

3.任务间共享资源访问使用互斥锁

4.任务的同步使用信号量

5.标志位的管理使用事件标志组

6.编写一个专门初始化硬件的任务，该任务可以包含创建任务的功能。

总结

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