在智能化日益普及的今天，單片機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的存在，為單片機(jī)提供了強(qiáng)大的控制能力和高效能的工作機(jī)制。接下來(lái)，我們將深入探討三款廣受歡迎的單片機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：μC/OS-II、FreeRTOS以及RT-Thread，詳細(xì)剖析它們的獨(dú)特特性、適用場(chǎng)景，并探討在開發(fā)過(guò)程中如何根據(jù)需求做出明智的選擇。

單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心組件，已深入到眾多應(yīng)用領(lǐng)域中。而單片機(jī)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在這些系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。它不僅提供了強(qiáng)大的控制和高效機(jī)制，還使得設(shè)備能在各種應(yīng)用領(lǐng)域中穩(wěn)定運(yùn)行。單片機(jī)RTOS不僅增強(qiáng)了單片機(jī)的能力，也為其應(yīng)用在智能設(shè)備中提供了穩(wěn)定性和高效性。μC/OS-II是一款實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，專為單片機(jī)設(shè)計(jì)。它以其高穩(wěn)定性和可移植性在嵌入式領(lǐng)域贏得了廣泛的贊譽(yù)。μC/OS-II以其可移植、可固化、可裁剪的特性著稱，適用于需要實(shí)時(shí)性的項(xiàng)目。該操作系統(tǒng)能在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中確保各軸電機(jī)控制任務(wù)和刀具換刀任務(wù)的有序執(zhí)行。

μC/OS-II提供了豐富的功能，包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間通信等。其多任務(wù)處理能力使得系統(tǒng)能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，顯著提高了系統(tǒng)的效率。支持多任務(wù)處理，同時(shí)還提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理及高效的通信機(jī)制。在工業(yè)自動(dòng)化和汽車電子等領(lǐng)域，μC/OS-II的應(yīng)用尤為顯著。例如，在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景中，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠迅速搶占并執(zhí)行，確保系統(tǒng)對(duì)故障的實(shí)時(shí)響應(yīng)。此外，其內(nèi)存管理機(jī)制也大大減少了內(nèi)存碎片化，提高了內(nèi)存使用效率并簡(jiǎn)化任務(wù)間的協(xié)同工作。

我們?nèi)粘Ｊ褂玫?PC 機(jī)，它的主要目標(biāo)是并行執(zhí)行多任務(wù)，強(qiáng)調(diào)的是吞吐率(盡可能多的執(zhí)行很多應(yīng)用程序的代碼)，因此，采用的是分時(shí)操作系統(tǒng)，也就是每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)一個(gè)任務(wù)分配的時(shí)間片用完了，就自動(dòng)換出(調(diào)度)，然后執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。我們平常在寫 x86 平臺(tái)上寫普通的客戶端程序時(shí)，很少需要指定應(yīng)用程序的調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)，使用的是系統(tǒng)默認(rèn)的調(diào)度機(jī)制。反過(guò)來(lái)說(shuō)，也就是在某些需要的場(chǎng)合下，是可以設(shè)置進(jìn)程的調(diào)度策略和優(yōu)先級(jí)的。例如在 Linux 系統(tǒng)中，可以通過(guò) sched_setscheduler() 系統(tǒng)函數(shù) 設(shè)置 3 種調(diào)度策略：

1. SCHED_OTHER： 系統(tǒng)默認(rèn)的調(diào)度策略，計(jì)算動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)(counter+20-nice)，當(dāng)時(shí)間片用完之后放在就緒隊(duì)列尾;

2. SCHED_FIFO： 實(shí)時(shí)調(diào)度策略，根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，一旦占用CPU就一直執(zhí)行，直到自己放棄執(zhí)行或者有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)需要執(zhí)行;

3. SCHED_RR： 也是實(shí)時(shí)調(diào)度策略，在 SCHED_FIFO 的基礎(chǔ)上添加了時(shí)間片。在執(zhí)行時(shí)，可以被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)打斷，如果沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，那么當(dāng)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間片用完之后，就會(huì)查找相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)執(zhí)行。

1. 為什么 Linux 系統(tǒng)是軟實(shí)時(shí)的?

可能有小伙伴會(huì)有疑問(wèn)：既然 Linux 系統(tǒng)中提供了 SCHED_FIFO 基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，為什么仍然不能稱之為真正的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?這就要從 Linux 的發(fā)展歷史說(shuō)起了。

Linux 操作系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，就是為了桌面應(yīng)用而開發(fā)的，在那個(gè)時(shí)代，多個(gè)終端(電傳打字機(jī)和屏幕)連接到同一個(gè)電腦主機(jī)，需要處理的是多任務(wù)、并行操作，并不需要考慮實(shí)時(shí)性，因此，在 Linux 內(nèi)核中的一些基因，嚴(yán)重影響了它的實(shí)時(shí)性，例如有如下幾個(gè)因素：

(1) 內(nèi)核不可搶占

我們知道，一個(gè)應(yīng)用程序在執(zhí)行時(shí)，可以在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)執(zhí)行(當(dāng)調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，例如：write 時(shí)，就會(huì)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)執(zhí)行)，此時(shí)任務(wù)是不可搶占的。

即使有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，當(dāng)前的任務(wù)也不能立刻停止執(zhí)行。而是必須等到當(dāng)前這個(gè)任務(wù)返回到用戶態(tài)，或者在內(nèi)核態(tài)中需要等待某個(gè)資源而睡眠時(shí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)才可以執(zhí)行。

因此，這就很顯然無(wú)法保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性了。

(2) 自旋鎖

自旋鎖是用于多線程同步的一種鎖，用來(lái)對(duì)共享資源的一種同步機(jī)制，線程反復(fù)檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過(guò)程中保持執(zhí)行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會(huì)一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。

自旋鎖避免了進(jìn)程上下文的調(diào)度開銷，因此對(duì)于線程只會(huì)阻塞很短時(shí)間的場(chǎng)合是有效的，也就是說(shuō)，只能在阻塞很短的時(shí)間才適合使用自旋鎖。

但是，在自旋鎖期間，任務(wù)搶占將會(huì)失效，這就是說(shuō)，即使自旋鎖的阻塞時(shí)間很短，但是這仍然會(huì)增加任務(wù)搶占延時(shí)，讓調(diào)度變得不確定。

(3) 中斷的優(yōu)先級(jí)是最高的

任何時(shí)刻，只要中斷發(fā)生，就會(huì)立刻執(zhí)行中斷服務(wù)程序，也就是中斷的優(yōu)先級(jí)是最高的。只有當(dāng)所有的外部中斷和軟終端都處理結(jié)束了，正常的任務(wù)才能得到執(zhí)行。

這看起來(lái)是好事情，但是想一想，如果有比中斷優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)呢?假如系統(tǒng)在運(yùn)行中，網(wǎng)口持續(xù)接收到數(shù)據(jù)，那么中斷就一直被執(zhí)行，那么其他任務(wù)就可能一直得不到執(zhí)行的機(jī)會(huì)，這是影響 Linux 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的巨大挑戰(zhàn)。

(4) 同步操作時(shí)關(guān)閉中斷

如果去看 Linux 內(nèi)核的代碼，可以看到在很多地方都執(zhí)行了關(guān)中斷指令，如果在這期間發(fā)生了中斷，那么中斷響應(yīng)時(shí)間就沒(méi)法保證了。

2. Linux 系統(tǒng)如何改成硬實(shí)時(shí)?

以上描述的幾個(gè)因素，對(duì) Linux 實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性構(gòu)成了很大的障礙，但是現(xiàn)實(shí)世界又的確有很多場(chǎng)合需要 Linux 具有硬實(shí)時(shí)，那么就要針對(duì)上面的每一個(gè)因素提出解決方案。

目前主流的解決方案有 2 個(gè)：?jiǎn)蝺?nèi)核解決方案：給 Linux 內(nèi)核打補(bǔ)丁，解決上面提到的幾個(gè)問(wèn)題，例如：RT-Preempt;雙內(nèi)核解決方案：在硬件抽象層之上，運(yùn)行 2 個(gè)內(nèi)核：實(shí)時(shí)內(nèi)核 + Linux 內(nèi)核，它們分別向上層提供 API 函數(shù)，例如：Xenomai。

基礎(chǔ)扎實(shí)：學(xué)習(xí)單片機(jī)有助于你深入理解底層硬件的工作原理，如IO操作、中斷處理、定時(shí)器、串行通信等。

資源消耗少：?jiǎn)纹瑱C(jī)通常用于資源受限的環(huán)境，因此學(xué)習(xí)單片機(jī)可以讓你了解如何在有限的資源下進(jìn)行優(yōu)化。

實(shí)時(shí)性強(qiáng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)通常用于需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合，如控制電機(jī)、讀取傳感器數(shù)據(jù)等。

成本較低：?jiǎn)纹瑱C(jī)的開發(fā)板通常價(jià)格較低，適合初學(xué)者。

RTOS還提供了豐富的資源管理功能，如內(nèi)存管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列等。這些機(jī)制有助于開發(fā)者實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步和通信，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。在裸機(jī)編程中，這些功能通常需要開發(fā)者自行實(shí)現(xiàn)，不僅增加了開發(fā)難度，還容易引入錯(cuò)誤。通過(guò)RTOS的內(nèi)存管理機(jī)制，開發(fā)者可以動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存，有效避免內(nèi)存泄漏和碎片問(wèn)題。信號(hào)量和消息隊(duì)列等同步機(jī)制則有助于任務(wù)間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，防止資源沖突和死鎖現(xiàn)象的發(fā)生。這些功能在STM32等單片機(jī)上尤為重要，因?yàn)樗鼈兡軌蝻@著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。RTOS的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于其提高了開發(fā)效率。在裸機(jī)編程中，開發(fā)者需要手動(dòng)管理中斷、定時(shí)器、內(nèi)存等資源，這不僅耗時(shí)費(fèi)力，還容易出錯(cuò)。而RTOS提供了豐富的API和工具鏈，簡(jiǎn)化了開發(fā)流程，降低了開發(fā)難度。通過(guò)RTOS，開發(fā)者可以更快地構(gòu)建原型，進(jìn)行功能驗(yàn)證和調(diào)試。RTOS提供的任務(wù)調(diào)度和優(yōu)先級(jí)管理功能，使得開發(fā)者能夠更容易地定位和解決性能瓶頸。此外，RTOS還支持多種調(diào)度算法，如輪詢調(diào)度、優(yōu)先級(jí)調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等，開發(fā)者可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的調(diào)度策略，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。