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這個技術方向!再不學就晚了...

發(fā)布人:xiaomaidashu 時間:2023-10-13 來源:工程師 發(fā)布文章
大家好,我是小麥,今天我們來聊聊RTOS。


嵌入式系統(tǒng)不只是ARM+Linux,不是只有安卓,凡是電子產(chǎn)品都可稱為嵌入式系統(tǒng)。


物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起,也提升了RTOS市場占有率。

01 



為什么要學RTOS?


在大學里一般電子信息專業(yè)的最后大部分都進入嵌入式這個領域,入門首先接觸的是單片機編程,尤其是C51單片機,基礎的單片機編程通常都是指裸機編程,即不加入任何 RTOS(Real Time Operating System 實時操作系統(tǒng))。


常用的有國外的FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國內(nèi)的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等,其中開源且免費的 FreeRTOS 的市場占有率極高。


在工作中用的最多的就是FreeRTOS,免費也沒有版權(quán)誰不喜歡用呢?


02 



裸機系統(tǒng)1、輪詢系統(tǒng)

輪詢系統(tǒng)即是在裸機編程的時候,先初始化好相關的硬件,然后讓主程序在一個死循環(huán)里面不斷循環(huán),順序地做各種事情。裸機系統(tǒng)通常分成輪詢系統(tǒng)和前后臺系統(tǒng)。

int main(void)
{
 /* 硬件相關初始化 */
 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)動的就能完成的事情。

在代碼清單中,如果只是實現(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,用來模擬緊急報警,那么整個系統(tǒng)的實時響應能力就不會那么好了。

假設DoSomethingg3是按鍵掃描,當外部按鍵被按下,相當于一個警報,這個時候,需要立馬響應 , 并做緊急處理 , 而這個時候程序剛好執(zhí)行到DoSomethingg1, 要命的是DoSomethingg1需要執(zhí)行的時間比較久,久到按鍵釋放之后都沒有執(zhí)行完畢,那么當執(zhí)行到DoSomethingg3的時候就會丟失掉一次事件。

足見,輪詢系統(tǒng)只適合順序執(zhí)行的功能代碼,當有外部事件驅(qū)動時,實時性就會降低。

2、前后臺系統(tǒng)

在裸機系統(tǒng)中,所有的操作都是在一個無限的大循環(huán)里面實現(xiàn),支持中斷檢測。外部中斷緊急事件在中斷里面標記或者響應,中斷服務稱為前臺,main 函數(shù)里面的while(1)無限循環(huán)稱為后臺,按順序處理業(yè)務功能,以及中斷標記的可執(zhí)行的事件。

小型的電子產(chǎn)品用的都是裸機系統(tǒng),而且也能夠滿足需求。

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

int main(void)
{
 /* 硬件相關初始化 */
 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)
{
 /* 置位標志位 */
 flag1 = 1;
 /* 如果事件處理時間很短,則在中斷里面處理
 如果事件處理時間比較長,在回到后臺處理 */
 DoSomething1();
}

void ISR2(void)
{
 /* 置位標志位 */
 flag2 = 2;

 /* 如果事件處理時間很短,則在中斷里面處理
 如果事件處理時間比較長,在回到后臺處理 */
 DoSomething2();
}

void ISR3(void)
{
 /* 置位標志位 */
 flag3 = 1;
 /* 如果事件處理時間很短,則在中斷里面處理
 如果事件處理時間比較長,在回到后臺處理 */
 DoSomething3();
}

在順序執(zhí)行后臺程序的時候,如果有中斷來臨,那么中斷會打斷后臺程序的正常執(zhí)行流,轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務程序,在中斷服務程序里面標記事件,如果事件要處理的事情很簡短,則可在中斷服務程序里面處理,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。

雖然事件的響應和處理是分開了,但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時響應能力。在大多數(shù)的中小型項目中,前后臺系統(tǒng)運用的好,堪稱有操作系統(tǒng)的效果。

一般來說:如果的項目里面沒有使用RTOS,則一般使用的都是這種前后臺系統(tǒng)。


03 



多線程系統(tǒng)


相比前后臺系統(tǒng),多線程系統(tǒng)的事件響應也是在中斷中完成的,但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)先級高的線程會被優(yōu)先執(zhí)行。

當一個緊急的事件在中斷被標記之后,如果事件對應的線程的優(yōu)先級足夠高,就會立馬得到響應。相比前后臺系統(tǒng),多線程系統(tǒng)的實時性又被提高了。

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)
{
 /* 硬件相關初始化 */
 HardWareInit();

 /* OS 初始化 */
 RTOSInit();

 /* OS 啟動,開始多線程調(diào)度,不再返回 */
 RTOSStart();
 
 while(1);/* 程序不會執(zhí)行到這里 */
}

void ISR1(void)
{
 /* 置位標志位 */
 flag1 = 1;
}

void ISR2(void)
{
 /* 置位標志位 */
 flag2 = 2;
}

void ISR3(void)
{
 /* 置位標志位 */
 flag3 = 1;
}

void DoSomething1(void)
{
 /* 無限循環(huán),不能返回 */
 for (;;) {
   /* 線程實體 */
   if (flag1) {

   }
 }
}

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

   }
 }
}

void DoSomething3(void)
{
 /* 無限循環(huán),不能返回 */
 for (;;) {
   /* 線程實體 */
   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,我們把這個程序主體分割成一個個獨立的,無限循環(huán)且不能返回的小程序,這個小程序我們稱之為線程。

每個線程都是獨立的,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,我們在編程的時候不需要精心地去設計程序的執(zhí)行流,不用擔心每個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)的那一丁點的FLASH和RAM?,F(xiàn)如今,單片機的 FLASH和RAM是越來越大,完全足以抵擋RTOS那點開銷。


04 



學習RTOS的意義是什么?


學習RTOS,一是項目需要,隨著產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能越來越多,單純的裸機系統(tǒng)已經(jīng)不能完美地解決問題,反而會使編程變得更加復雜,如果想降低編程的難度,就必須引入RTOS實現(xiàn)多任務管理。

二是技能需要,掌握操作系統(tǒng),和基于RTOS的編程,實現(xiàn)更好的職業(yè)規(guī)劃,對個人發(fā)展尤其是“錢途”是必不可少的。

大家可能一直覺得學操作系統(tǒng)就必須是linux,實際每個系統(tǒng)都有其應用場景,對于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè),殺雞焉用牛刀,小而美,且應用廣泛的FreeRTOS 是首選。

有一個操作系統(tǒng)的基礎,即使后續(xù)基于其他系統(tǒng)開發(fā)軟件,也可觸類旁通,對新技術快速入門。


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關鍵詞: RTOS

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