搞嵌入式要想 RTOS 学得好？这些基础知识点少不了

RTOS 基础知识

RTOS

实时操作系统（RTOS）是一种操作系统（OS），旨在提供实时应用进程数据，通常没有缓冲延迟。

RTOS 中的关键因素是最小的中断延迟和最小的线程切换延迟。RTOS 的价值在于它的响应速度或可预测性，而不是它在给定时间段内可以执行的工作量。

对于嵌入式设备，一般规则是当应用进程需要执行多个简单操作时使用 RTOS。

实时操作系统具有以下目标：

低延迟。
决定论：需要知道处理事情需要多长时间才能确保满足最后期限。
结构化软件：使用 RTOS，可以以结构化的方式分而治之。直接向应用进程添加其他组件。
可扩展性：RTOS 必须能够从简单的应用进程扩展到具有堆栈、驱动进程、文档系统等的复杂应用进程。
卸载开发：RTOS 管理系统的许多方面，例如，RTOS 与调度一起，通常处理电源管理，中断表管理，内存管理，异常处理等。

线程

基于 RTOS 的应用进程中的典型线程：

中断服务例程（ISR）：由硬件中断启动的线程。ISR 运行直至完成。ISR 都共享同一堆栈。
任务：在等待事件发生时可以阻塞的线程。传统上，任务是长寿命线程（与运行直至完成的 ISR 相反）。每个任务都有自己的堆栈，可以让它长寿。
Idle：优先级最低的线程，仅在没有其他线程准备好执行时运行。通常，空闲只是具有尽可能低优先级的特殊任务。

调度进程

每个 RTOS 的核心都有一个调度进程。调度进程负责管理系统中线程的执行。调度进程有两种主要管理方式：抢占式调度和时间片调度。

抢占式调度是最常见的 RTOS 调度进程类型。TI-RTOS 和 FreeRTOS 都有抢占式调度进程。使用抢占式调度进程，正在运行的线程将一直持续到

完成（例如，ISR 完成）。
较高优先级的线程准备就绪（在这种情况下，优先级较高的线程会抢占优先级较低的线程）。
线程在等待资源时放弃处理器（例如，任务调用 sleep()）。

时间片调度保证每个线程都有一个要执行的槽。这种类型的调度通常不利于实时应用。如果需要，TI-RTOS 内核支持使用任务进行时间切片调度。

其他关键术语

线程安全：如果一段代码以保证多个线程同时正确访问（读取、写入）的方式操作共享数据结构，则该代码段是线程安全的。

Blocked：如果任务正在等待资源且未消耗任何 CPU，则阻止该任务。例如，如果任务调用 Task_sleep()或 Semaphore_pend()（非零超时且信号量不可用），则该任务将被阻止，并允许另一个线程运行。

裸机：不适用 RTOS 的应用进程的公用名。

裸机与实时操作系统

典型的裸机应用进程通常可分为三个关键部分：

初始化：初始化 main()中的硬件和软件组件。
超级循环状态机：用于管理应用进程的代码。这些操作基于中断（例如，收到 SPI 数据包或计时器过期）或轮询的结果。
ISR：由外围设备（例如 UART）、定时器或其他特定于设备的项目（例如异常或多核通信）的中断执行的代码。

裸机应用进程有其一席之地。它们通常很小，速度快，并且通过简单的应用进程相对容易理解。一旦需要更复杂的逻辑，RTOS 就开始大放异彩。

实时操作系统组件

计划进程：保证最高优先级线程正在运行的抢占式计划进程。
通信机制：信号量、消息队列、队列等。
关键区域机制：互斥体、门、锁等。
计时服务：时钟、定时器等。
电源管理：对于低功耗设备，电源管理通常是 RTOS 的一部分，因为它知道设备的状态。
内存管理：可变大小的堆、固定大小的堆等。
外设驱动器：UART、SPI、I2C 等。
协议栈：蓝牙、无线网络等。
文档系统：FatFs 等。
设备管理：异常处理、启动等。

POSIX

POSIX（Portable Operating System Interface）：可移植操作系统接口

SimpleLink SDK 在 TI-RTOS 和 FreeRTOS 之上提供 POSIX 支持。这允许应用进程独立于底层 RTOS。

POSIX API 是底层实时操作系统之上的一个小填充码。创建 POSIX 线程时，将创建基础 TI-RTOS（或 FreeRTOS）任务。同样，在创建 POSIX 线程信号量时，将创建 TI-RTOS（或 FreeRTOS）信号量。

POSIX 支持的一个很好的功能是能够从网络上获取基于 POSIX 的代码并快速使其正常工作。

POSIX 不是实时操作系统。它是一个操作系统兼容性层，允许应用进程在操作系统之间轻松移植。

RTOS 线程通信

所有 RTOS 都提供标准的通信机制，如信号量、互斥锁、消息队列、链表等。

信号量

信号量允许资源管理。任务可以在 sem_wait()上阻塞，直到资源变得可用（通过 sem_post()）。一个常见的用例是 Hwi 接收数据并发布信号量，以便任务可以处理它。这是可取的，因为它可以最大限度地减少中断的持续时间。大多数 RTOS 都支持二进制和计数信号量。

消息队列

消息队列对于在线程之间发送数据非常有用。消息队列可以配置为发送/接收任何大小的用户定义的消息。在这里，一个任务正在向另一个任务发送消息：

当希望将特定功能集中到单个任务中时，消息队列非常有用。所有其他线程都可以将消息发送到集中式任务进行处理。消息队列以线程安全的方式处理消息。

POSIX 支持层中的消息队列是创建在 TI-RTOS 中的 Mailboxes 和 FreeRTOS 中的队列之上的。

执行

一个抢占式的调度进程在运行。假设以下线程是在 main()中创建的：

ISRX：中断服务例程

MidA：在 main()中创建第一个优先级为 4

MidB：在 main()中创建第二个优先级为 4

High：在 main()中创建最后一个优先级为 8

一旦内核的调度进程启动（在本例中为 main()中的 BIOS_start()），所有任务都已准备好运行，首先运行的是 High，因为它具有最高优先级。

1.ISRX断言，因为它会抢占所有任务。High现在处于抢占状态。

2.ISRX完成后，High 将再次开始运行，直到它在Task_sleep()（或某些阻塞API）上阻塞。现在，MidA可以运行了。

3.MidA一直运行，直到它遇到阻塞调用（比如 Semaphore_pend()）。现在，MidB可以运行了。

4.MidB一直运行到 High 取消阻塞（假设 Task_sleep()已过期）。MidB现在被抢占了。

5.High将一直运行，直到ISRX被断言并抢占 High。注意：现在有两个任务被抢占。

6.MidA准备就绪（假设ISRX发布了它被阻止的信号量）。MidA不会运行，因为有更高优先级的线程正在运行。

7.ISRX完成，因此High再次运行，然后再次阻塞，因此MidB再次运行，直到它阻塞。现在MidA可以运行，因为没有更高优先级的任务正在运行。注意：MidA必须等到MidB完成后，因为当MidA准备就绪时，MidB正在运行。

8.MidA阻塞，现在没有线程正在运行或准备运行，因此 Idle 运行。

9.MidB取消阻塞并运行。

END

作者：小麦大叔
来源：小麦大叔

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