新手必看的RTOS基礎(chǔ)知識(shí)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是一種操作系統(tǒng)（OS），旨在提供實(shí)時(shí)應(yīng)用進(jìn)程數(shù)據(jù)，通常沒(méi)有緩沖延遲。

RTOS中的關(guān)鍵因素是最小的中斷延遲和最小的線(xiàn)程切換延遲。RTOS的價(jià)值在于它的響應(yīng)速度或可預(yù)測(cè)性，而不是它在給定時(shí)間段內(nèi)可以執(zhí)行的工作量。

對(duì)于嵌入式設(shè)備，一般規(guī)則是當(dāng)應(yīng)用進(jìn)程需要執(zhí)行多個(gè)簡(jiǎn)單操作時(shí)使用RTOS。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下目標(biāo)：

• 低延遲。
• 決定論：需要知道處理事情需要多長(zhǎng)時(shí)間才能確保滿(mǎn)足最后期限。
• 結(jié)構(gòu)化軟件：使用RTOS，可以以結(jié)構(gòu)化的方式分而治之。直接向應(yīng)用進(jìn)程添加其他組件。
• 可擴(kuò)展性：RTOS必須能夠從簡(jiǎn)單的應(yīng)用進(jìn)程擴(kuò)展到具有堆棧、驅(qū)動(dòng)進(jìn)程、文檔系統(tǒng)等的復(fù)雜應(yīng)用進(jìn)程。
• 卸載開(kāi)發(fā)：RTOS管理系統(tǒng)的許多方面，例如，RTOS與調(diào)度一起，通常處理電源管理，中斷表管理，內(nèi)存管理，異常處理等。

基于RTOS的應(yīng)用進(jìn)程中的典型線(xiàn)程：

• 中斷服務(wù)例程（ISR）：由硬件中斷啟動(dòng)的線(xiàn)程。ISR運(yùn)行直至完成。ISR都共享同一堆棧。
• 任務(wù)：在等待事件發(fā)生時(shí)可以阻塞的線(xiàn)程。傳統(tǒng)上，任務(wù)是長(zhǎng)壽命線(xiàn)程（與運(yùn)行直至完成的ISR相反）。每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧，可以讓它長(zhǎng)壽。
• Idle：優(yōu)先級(jí)最低的線(xiàn)程，僅在沒(méi)有其他線(xiàn)程準(zhǔn)備好執(zhí)行時(shí)運(yùn)行。通常，空閑只是具有盡可能低優(yōu)先級(jí)的特殊任務(wù)。

每個(gè)RTOS的核心都有一個(gè)調(diào)度進(jìn)程。調(diào)度進(jìn)程負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中線(xiàn)程的執(zhí)行。調(diào)度進(jìn)程有兩種主要管理方式：搶占式調(diào)度和時(shí)間片調(diào)度。

搶占式調(diào)度是最常見(jiàn)的RTOS調(diào)度進(jìn)程類(lèi)型。TI-RTOS和FreeRTOS都有搶占式調(diào)度進(jìn)程。使用搶占式調(diào)度進(jìn)程，正在運(yùn)行的線(xiàn)程將一直持續(xù)到

• 完成（例如，ISR完成）。
• 較高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程準(zhǔn)備就緒（在這種情況下，優(yōu)先級(jí)較高的線(xiàn)程會(huì)搶占優(yōu)先級(jí)較低的線(xiàn)程）。
• 線(xiàn)程在等待資源時(shí)放棄處理器（例如，任務(wù)調(diào)用sleep()）。

時(shí)間片調(diào)度保證每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)要執(zhí)行的槽。這種類(lèi)型的調(diào)度通常不利于實(shí)時(shí)應(yīng)用。如果需要，TI-RTOS內(nèi)核支持使用任務(wù)進(jìn)行時(shí)間切片調(diào)度。

線(xiàn)程安全：如果一段代碼以保證多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)正確訪(fǎng)問(wèn)（讀取、寫(xiě)入）的方式操作共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，則該代碼段是線(xiàn)程安全的。

Blocked：如果任務(wù)正在等待資源且未消耗任何CPU，則阻止該任務(wù)。例如，如果任務(wù)調(diào)用Task_sleep()或Semaphore_pend()（非零超時(shí)且信號(hào)量不可用），則該任務(wù)將被阻止，并允許另一個(gè)線(xiàn)程運(yùn)行。

裸機(jī)：不適用RTOS的應(yīng)用進(jìn)程的公用名。

典型的裸機(jī)應(yīng)用進(jìn)程通常可分為三個(gè)關(guān)鍵部分：

• 初始化：初始化main()中的硬件和軟件組件。
• 超級(jí)循環(huán)狀態(tài)機(jī)：用于管理應(yīng)用進(jìn)程的代碼。這些操作基于中斷（例如，收到SPI數(shù)據(jù)包或計(jì)時(shí)器過(guò)期）或輪詢(xún)的結(jié)果。
• ISR：由外圍設(shè)備（例如UART）、定時(shí)器或其他特定于設(shè)備的項(xiàng)目（例如異?；蚨嗪送ㄐ牛┑闹袛鄨?zhí)行的代碼。

裸機(jī)應(yīng)用進(jìn)程有其一席之地。它們通常很小，速度快，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的應(yīng)用進(jìn)程相對(duì)容易理解。一旦需要更復(fù)雜的邏輯，RTOS就開(kāi)始大放異彩。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組件

• 計(jì)劃進(jìn)程：保證最高優(yōu)先級(jí)線(xiàn)程正在運(yùn)行的搶占式計(jì)劃進(jìn)程。
• 通信機(jī)制：信號(hào)量、消息隊(duì)列、隊(duì)列等。
• 關(guān)鍵區(qū)域機(jī)制：互斥體、門(mén)、鎖等。
• 計(jì)時(shí)服務(wù)：時(shí)鐘、定時(shí)器等。
• 電源管理：對(duì)于低功耗設(shè)備，電源管理通常是RTOS的一部分，因?yàn)樗涝O(shè)備的狀態(tài)。
• 內(nèi)存管理：可變大小的堆、固定大小的堆等。
• 外設(shè)驅(qū)動(dòng)器：UART、SPI、I2C等。
• 協(xié)議棧：藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等。
• 文檔系統(tǒng)：FatFs等。
• 設(shè)備管理：異常處理、啟動(dòng)等。

POSIX（Portable Operating System Interface）：可移植操作系統(tǒng)接口

SimpleLink SDK在TI-RTOS和FreeRTOS之上提供POSIX支持。這允許應(yīng)用進(jìn)程獨(dú)立于底層RTOS。

POSIX API是底層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之上的一個(gè)小填充碼。創(chuàng)建POSIX線(xiàn)程時(shí)，將創(chuàng)建基礎(chǔ)TI-RTOS（或FreeRTOS）任務(wù)。同樣，在創(chuàng)建POSIX線(xiàn)程信號(hào)量時(shí)，將創(chuàng)建TI-RTOS（或FreeRTOS）信號(hào)量。

POSIX支持的一個(gè)很好的功能是能夠從網(wǎng)絡(luò)上獲取基于POSIX的代碼并快速使其正常工作。

POSIX不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是一個(gè)操作系統(tǒng)兼容性層，允許應(yīng)用進(jìn)程在操作系統(tǒng)之間輕松移植。

所有RTOS都提供標(biāo)準(zhǔn)的通信機(jī)制，如信號(hào)量、互斥鎖、消息隊(duì)列、鏈表等。

信號(hào)量允許資源管理。任務(wù)可以在sem_wait()上阻塞，直到資源變得可用（通過(guò)sem_post()）。一個(gè)常見(jiàn)的用例是Hwi接收數(shù)據(jù)并發(fā)布信號(hào)量，以便任務(wù)可以處理它。這是可取的，因?yàn)樗梢宰畲笙薅鹊販p少中斷的持續(xù)時(shí)間。大多數(shù)RTOS都支持二進(jìn)制和計(jì)數(shù)信號(hào)量。

消息隊(duì)列對(duì)于在線(xiàn)程之間發(fā)送數(shù)據(jù)非常有用。消息隊(duì)列可以配置為發(fā)送/接收任何大小的用戶(hù)定義的消息。在這里，一個(gè)任務(wù)正在向另一個(gè)任務(wù)發(fā)送消息：

當(dāng)希望將特定功能集中到單個(gè)任務(wù)中時(shí)，消息隊(duì)列非常有用。所有其他線(xiàn)程都可以將消息發(fā)送到集中式任務(wù)進(jìn)行處理。消息隊(duì)列以線(xiàn)程安全的方式處理消息。

POSIX支持層中的消息隊(duì)列是創(chuàng)建在TI-RTOS中的Mailboxes和FreeRTOS中的隊(duì)列之上的。

執(zhí)行

一個(gè)搶占式的調(diào)度進(jìn)程在運(yùn)行。假設(shè)以下線(xiàn)程是在main()中創(chuàng)建的：

ISRX：中斷服務(wù)例程

MidA：在main()中創(chuàng)建第一個(gè)優(yōu)先級(jí)為4

MidB：在main()中創(chuàng)建第二個(gè)優(yōu)先級(jí)為4

High：在main()中創(chuàng)建最后一個(gè)優(yōu)先級(jí)為8

一旦內(nèi)核的調(diào)度進(jìn)程啟動(dòng)（在本例中為main()中的BIOS_start()），所有任務(wù)都已準(zhǔn)備好運(yùn)行，首先運(yùn)行的是High，因?yàn)樗哂凶罡邇?yōu)先級(jí)。

1.ISRX斷言，因?yàn)樗鼤?huì)搶占所有任務(wù)。High現(xiàn)在處于搶占狀態(tài)。

2.ISRX完成后，High將再次開(kāi)始運(yùn)行，直到它在Task_sleep()（或某些阻塞API）上阻塞?，F(xiàn)在，MidA可以運(yùn)行了。

3.MidA一直運(yùn)行，直到它遇到阻塞調(diào)用（比如Semaphore_pend()）?，F(xiàn)在，MidB可以運(yùn)行了。

4.MidB一直運(yùn)行到High取消阻塞（假設(shè)Task_sleep()已過(guò)期）。MidB現(xiàn)在被搶占了。

5.High將一直運(yùn)行，直到ISRX被斷言并搶占High。注意：現(xiàn)在有兩個(gè)任務(wù)被搶占。

6.MidA準(zhǔn)備就緒（假設(shè)ISRX發(fā)布了它被阻止的信號(hào)量）。MidA不會(huì)運(yùn)行，因?yàn)橛懈邇?yōu)先級(jí)的線(xiàn)程正在運(yùn)行。

7.ISRX完成，因此High再次運(yùn)行，然后再次阻塞，因此MidB再次運(yùn)行，直到它阻塞?，F(xiàn)在MidA可以運(yùn)行，因?yàn)闆](méi)有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)正在運(yùn)行。注意：MidA必須等到MidB完成后，因?yàn)楫?dāng)MidA準(zhǔn)備就緒時(shí)，MidB正在運(yùn)行。

8.MidA阻塞，現(xiàn)在沒(méi)有線(xiàn)程正在運(yùn)行或準(zhǔn)備運(yùn)行，因此Idle運(yùn)行。

9.MidB取消阻塞并運(yùn)行。