嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是什么
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)特殊的程序，是一個(gè)支持多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是“實(shí)時(shí)性”，如果有一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)立即執(zhí)行該任務(wù)，不會(huì)有較長(zhǎng)的延時(shí)。典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有uCOS ，RT-Thread，F(xiàn)reeRTOS ，VxWorks，WinCE等。

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一個(gè)特殊的程序(通常稱為內(nèi)核)，它可以創(chuàng)建，銷(xiāo)毀，控制所有任務(wù)。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)除了包含一個(gè)內(nèi)核以外，還提供其他服務(wù)，如文件系統(tǒng)，協(xié)議棧，圖形用戶界面等。本文的重點(diǎn)在于了解嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作原理和結(jié)構(gòu)，因此文中提到的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)通常指的是操作系統(tǒng)內(nèi)核。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核通常要占用5%左右的CPU運(yùn)行時(shí)間，另外內(nèi)核是一個(gè)軟件代碼，需要額外占用ROM空間和RAM空間。

實(shí)時(shí)性
實(shí)時(shí)性可以定義為：觸發(fā)條件產(chǎn)生后系統(tǒng)的反應(yīng)能力。通俗的描述就是“天下武功唯快不破”，能達(dá)到所需要的“快”就是實(shí)時(shí),在不同的場(chǎng)合需要達(dá)到us級(jí)、ns級(jí)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)不僅僅只表現(xiàn)在“快”上，更主要的是實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要對(duì)觸發(fā)事件在限定時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，這個(gè)限定時(shí)間是根據(jù)實(shí)際需要來(lái)定，例如自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)的規(guī)定時(shí)間要求很短，需要在極短時(shí)間內(nèi)做出動(dòng)作；一些農(nóng)業(yè)溫度控制系統(tǒng)的規(guī)定時(shí)間要求比較長(zhǎng)，需要溫度控制平滑穩(wěn)定。

響應(yīng)時(shí)間
實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，其響應(yīng)時(shí)間越短。響應(yīng)時(shí)間是指系統(tǒng)識(shí)別到一個(gè)事件到開(kāi)始做出響應(yīng)的時(shí)間。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)工控設(shè)備有一個(gè)急停按鍵開(kāi)關(guān)，用戶希望按下急停開(kāi)關(guān)的時(shí)候系統(tǒng)立即將停止所有的動(dòng)作，假設(shè)用戶在第1.001秒時(shí)按下了急停開(kāi)關(guān)，軟件系統(tǒng)在第1.011秒時(shí)執(zhí)行了停止指令，工控設(shè)備相應(yīng)的機(jī)械部件在1.211秒停止動(dòng)作，此時(shí)軟件系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.01秒，設(shè)備系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.21秒，設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和軟件系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有一定區(qū)別，通常情況下設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間>軟件系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。本文中提到的響應(yīng)時(shí)間指的是軟件系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

再舉一個(gè)通俗的例子：你在玩王者榮耀，突然發(fā)現(xiàn)對(duì)面打野從草叢中跑出準(zhǔn)備gank你，從你眼睛看到，到手指點(diǎn)擊閃現(xiàn)，然后到你的人物閃現(xiàn)到塔下。這就是響應(yīng)時(shí)間，高端職業(yè)玩家可能只需要100ms即可完成整套動(dòng)作，而菜鳥(niǎo)玩家可能需要1000ms來(lái)完成整個(gè)動(dòng)作。

普通的嵌入式軟件架構(gòu)
普通的嵌入式軟件系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)成前后臺(tái)結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)包含一個(gè)死循環(huán)和若干中斷服務(wù)程序：應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的代碼塊，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作（后 臺(tái)），中斷程序用于處理系統(tǒng)的異步事件（前臺(tái)）。前臺(tái)稱做中斷級(jí)，后臺(tái)稱做任務(wù)級(jí)。下面是一個(gè)典型的前后臺(tái)結(jié)構(gòu)的代碼：

上圖中的代碼的執(zhí)行流程是：
1、判斷按鍵標(biāo)志位，若標(biāo)志位為1就執(zhí)行按鍵處理操作。
2、判斷通訊標(biāo)志位，若標(biāo)志位為1就執(zhí)行通訊處理操作。
3、執(zhí)行LCD顯示操作
4、判斷傳感器標(biāo)志位，若標(biāo)志位為1就執(zhí)行傳感器處理操作。
此代碼中有3個(gè)中斷函數(shù)：
1、GPIO外部中斷，當(dāng)按鍵按下后產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷函數(shù)中將鍵標(biāo)志位置1。
2、串口空閑中斷，當(dāng)串口總線空閑時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷函數(shù)中將通訊標(biāo)志位置1。
3、定時(shí)器中斷，每500ms周期性產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷函數(shù)中將傳感器標(biāo)志位置1。

代碼執(zhí)行如圖所示：

分析運(yùn)行圖：
1、程序判斷按鍵標(biāo)志位，標(biāo)志位為0，不執(zhí)行按鍵處理函數(shù)。
2、程序判斷通訊標(biāo)志位，標(biāo)志位為0，不執(zhí)行通訊處理函數(shù)。
3、程序執(zhí)行顯示處理函數(shù)，此時(shí)用戶按下了按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入按鍵中斷程序?qū)存I標(biāo)志位置1，中斷完成后返回顯示處理函數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。
4、顯示處理函數(shù)運(yùn)行過(guò)程中，此時(shí)串口接收完一包數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一個(gè)空閑中斷，系統(tǒng)進(jìn)入串口空閑中斷程序?qū)⑼ㄓ崢?biāo)志位置1，中斷完成后返回顯示處理函數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。
5、顯示處理函數(shù)運(yùn)行過(guò)程中，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)器中斷程序?qū)鞲衅鳂?biāo)志位置1。
6、顯示處理函數(shù)執(zhí)行完畢，程序判斷傳感器標(biāo)志位，標(biāo)志位為1，執(zhí)行通訊處理函數(shù)。
7、程序判斷按鍵標(biāo)志位，標(biāo)志位為1，執(zhí)行按鍵處理函數(shù)。
8、程序判斷通訊標(biāo)志位，標(biāo)志位為1，執(zhí)行通訊處理函數(shù)。
9、無(wú)限循環(huán)…

由上述例子可知，按鍵標(biāo)志位和通訊標(biāo)志位就緒后，程序還需要等待顯示函數(shù)，傳感器函數(shù)執(zhí)行完畢。即使是按鍵處理函數(shù)的緊急性再高，也需要等待其他函數(shù)執(zhí)行完畢。因此就產(chǎn)生了響應(yīng)延遲，響應(yīng)延遲的時(shí)間隨機(jī)的不確定的，有的時(shí)候時(shí)幾毫秒的時(shí)間，有的時(shí)候是幾百毫秒甚至更長(zhǎng)（如執(zhí)行傳感器讀取），因此需要提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
實(shí)時(shí)操作系可以隨時(shí)剝奪正在運(yùn)行任務(wù)的CPU使用權(quán)，并將CPU使用權(quán)交給進(jìn)入就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，使用操作系統(tǒng)后的運(yùn)行圖如下：

分析運(yùn)行圖：
1、低優(yōu)先級(jí)的顯示任務(wù)正在運(yùn)行，此時(shí)用戶按下了按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入按鍵中斷程序給按鍵任務(wù)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，此時(shí)按鍵任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，中斷返回時(shí)切換到按鍵處理任務(wù)中運(yùn)行。
2、按鍵處理任務(wù)正在運(yùn)行，此時(shí)串口接收完一包數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一個(gè)空閑中斷，系統(tǒng)進(jìn)入串口空閑中斷程序并給通訊處理任務(wù)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，通訊處理任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，中斷返回時(shí)切換到通訊處理任務(wù)。
3、通訊處理任務(wù)執(zhí)行完畢，放棄CPU使用權(quán)限，此時(shí)切換到按鍵處理任務(wù)。
4、按鍵處理任務(wù)執(zhí)行完畢，放棄CPU使用權(quán)限，此時(shí)切換到顯示處理任務(wù)。

由此可見(jiàn)，當(dāng)觸發(fā)產(chǎn)生后實(shí)時(shí)操作系將立即中斷當(dāng)前的任務(wù)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。使用實(shí)時(shí)操作系可以極大的提高軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組成
實(shí)時(shí)操作系由以下3個(gè)子系統(tǒng)組成（以u(píng)COS和FreeRTOS為參考對(duì)象）：
1、任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)
2、任務(wù)通信子系統(tǒng)
3、內(nèi)存管理子系統(tǒng)

任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)主要是維護(hù)兩個(gè)鏈表：就緒表和等待表。切換任務(wù)時(shí)從就緒表中取出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)；任務(wù)需要延時(shí)等待時(shí)，內(nèi)核將任務(wù)中就緒表中移動(dòng)到等待表中；時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)會(huì)周期性的更新等待表，并將等待時(shí)間完成的任務(wù)從等待表中移動(dòng)到就緒表中。

任務(wù)通訊子系統(tǒng)主要是維護(hù)一個(gè)鏈表：掛起表。任務(wù)需要等待信號(hào)時(shí)，內(nèi)核將任務(wù)移動(dòng)到掛起表中，當(dāng)內(nèi)核收到信號(hào)時(shí)，內(nèi)核將任務(wù)從掛起表中移動(dòng)到就緒表中。

內(nèi)存管理子系統(tǒng)，內(nèi)核提供了幾種動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存的方式，防止出現(xiàn)內(nèi)存碎片。

實(shí)時(shí)操作系的子系統(tǒng)將再后續(xù)持續(xù)更新。

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作者：李巍
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