搞嵌入式的为什么一定要学操作系统

sunsili · 发表于 2024-4-2 13:50:11

本帖最后由 sunsili 于 2024-4-2 13:53 编辑

搞嵌入式的为什么一定要学操作系统

嵌入式系统不只是ARM+Linux，不是只有安卓，凡是电子产品都可称为嵌入式系统。物联网行业的兴起，也提升了嵌入式操作系统的市场占有率。

为什么要学RTOS？

在大学里一般电子信息专业的最后大部分都进入嵌入式这个领域，入门首先接触的是单片机编程，尤其是C51单片机，基础的单片机编程通常都是指裸机编程，即不加入任何 RTOS（Real Time Operating System 实时操作系统）。常用的有国外的嵌入式Linux、FreeRTOS、μC/OS、RTX 和国内的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等

裸机系统

1. 轮询系统

轮询系统即是在裸机编程的时候，先初始化好相关的硬件，然后让主程序在一个死循环里面不断循环，顺序地做各种事情。裸机系统通常分成轮询系统和前后台系统。

int main(void)
{
/* 硬件相关初始化 */
HardWareInit();
/* 无限循环 */
for (;;) {
/* 处理事情 1 */
DoSomething1();
/* 处理事情 2 */
DoSomethingg2();
/* 处理事情 3 */
DoSomethingg3();
}
}

复制代码

轮询系统是一种非常简单的软件结构，通常只适用于那些只需要顺序执行代码且不需要外部事件来驱动的就能完成的事情。在代码清单中，如果只是实现LED翻转，串口输出，液晶显示等这些操作，那么使用轮询系统将会非常完美。但是，如果加入了按键操作等需要检测外部信号的事件，用来模拟紧急报警，那么整个系统的实时响应能力就不会那么好了。假设DoSomethingg3是按键扫描，当外部按键被按下，相当于一个警报，这个时候，需要立马响应，并做紧急处理，而这个时候程序刚好执行到DoSomethingg1，要命的是DoSomethingg1需要执行的时间比较久，久到按键释放之后都没有执行完毕，那么当执行到DoSomethingg3的时候就会丢失掉一次事件。足见，轮询系统只适合顺序执行的功能代码，当有外部事件驱动时，实时性就会降低。

2. 前后台系统

在裸机系统中，所有的操作都是在一个无限的大循环里面实现,支持中断检测。外部中断紧急事件在中断里面标记或者响应，中断服务称为前台，main 函数里面的while(1)无限循环称为后台，按顺序处理业务功能，以及中断标记的可执行的事件。小型的电子产品用的都是裸机系统，而且也能够满足需求。

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;
int main(void)
{
/* 硬件相关初始化 */
HardWareInit();
/* 无限循环 */
for (;;) {
if (flag1) {
/* 处理事情 1 */
DoSomething1();
}
if (flag2) {
/* 处理事情 2 */
DoSomethingg2();
}
if (flag3) {
/* 处理事情 3 */
DoSomethingg3();
}
}
}
void ISR1(void)
{
/* 置位标志位 */
flag1 = 1;
/* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
DoSomething1();
}
void ISR2(void)
{
/* 置位标志位 */
flag2 = 2;
/* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
DoSomething2();
}
void ISR3(void)
{
/* 置位标志位 */
flag3 = 1;
/* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
DoSomething3();
}

复制代码

在顺序执行后台程序的时候，如果有中断来临，那么中断会打断后台程序的正常执行流，转而去执行中断服务程序，在中断服务程序里面标记事件，如果事件要处理的事情很简短，则可在中断服务程序里面处理，如果事件要处理的事情比较多，则返回到后台程序里面处理。
虽然事件的响应和处理是分开了，但事件的处理还是在后台里面顺序执行的，但相比轮询系统，前后台系统确保了事件不会丢失，再加上中断具有可嵌套的功能，这可以大大的提高程序的实时响应能力。在大多数的中小型项目中，前后台系统运用的好，堪称有操作系统的效果。一般来说：如果的项目里面没有使用RTOS，则一般使用的都是这种前后台系统。

多线程系统

相比前后台系统，多线程系统的事件响应也是在中断中完成的，但事件的处理是在线程中完成的。在多线程系统中，线程跟中断一样，也具有优先级，优先级高的线程会被优先执行。当一个紧急的事件在中断被标记之后，如果事件对应的线程的优先级足够高，就会立马得到响应。相比前后台系统，多线程系统的实时性又被提高了。多线程系统大概的伪代码具体见代码清单所示：

int
flag1 =
0
;
int
flag2 =
0
;
int
flag3 =
0
;
int main(void)
{
/* 硬件相关初始化 */
HardWareInit();
/* OS 初始化 */
RTOSInit();
/* OS 启动，开始多线程调度，不再返回 */
RTOSStart();
while
(
1
);
/* 程序不会执行到这里 */
}
void ISR1(void)
{
/* 置位标志位 */
flag1 =
1
;
}
void ISR2(void)
{
/* 置位标志位 */
flag2 =
2
;
}
void ISR3(void)
{
/* 置位标志位 */
flag3 =
1
;
}
void DoSomething1(void)
{
/* 无限循环，不能返回 */
for
(;;) {
/* 线程实体 */
if
(flag1) {
}
}
}
void DoSomething2(void)
{
/* 无限循环，不能返回 */
for
(;;) {
/* 线程实体 */
if
(flag2) {
}
}
}
void DoSomething3(void)
{
/* 无限循环，不能返回 */
for
(;;) {
/* 线程实体 */
if
(flag3) {
}
}
}

复制代码

相比前后台系统中后台顺序执行的程序主体，在多线程系统中，根据程序的功能，我们把这个程序主体分割成一个个独立的，无限循环且不能返回的小程序，这个小程序我们称之为线程。每个线程都是独立的，互不干扰的，且具备自身的优先级，它由操作系统调度管理。加入操作系统后，我们在编程的时候不需要精心地去设计程序的执行流，不用担心每个功能模块之间是否存在干扰。加入了操作系统，我们的编程反而变得简单了。整个系统随之带来的额外开销就是操作系统占据的那一丁点的FLASH和RAM。现如今，单片机的 FLASH和RAM是越来越大，完全足以抵挡RTOS那点开销。

学习RTOS的意义是什么？对于嵌入式软件工程师，学习RTOS非常有必要。

1. 项目需要

随着产品要实现的功能越来越多，单纯的裸机系统已经不能完美地解决问题，反而会使编程变得更加复杂，如果想降低编程的难度，就必须引入RTOS实现多任务管理。
嵌入式操作系统有众多的软件组件，可以极大的加速项目进度，避免重复造车轮。

2. 技能需要

掌握操作系统，和基于RTOS的编程，实现更好的职业规划，对个人发展是必不可少的。在招聘网站上可以看到，同样是嵌入式软件工程师，懂RTOS的岗位的薪资普遍高20~50%。首先，要学会操作系统的应用接口，用好操作系统实现项目功能;其次，可以学习开源操作系统的源码，这些都是世界上最优秀的计算机大拿的智慧结晶，从中可以受益无穷。

3. 嵌入式Linux

Linux是目前应用最广泛的操作系统，也是众多知名操作系统的根基，比如安卓、鸿蒙等。打好嵌入式Linux基础，即使后续基于其他操作系统开发软件，也可触类旁通，对新技术快速入门。

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