嵌入式開(kāi)發(fā)人員通常習(xí)慣于裸機(jī)編程，或者對(duì)使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)有所保留。這里談?wù)凴TOS的作用，以及為什么應(yīng)該考慮使用它們。

現(xiàn)今的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期變得越來(lái)越復(fù)雜。開(kāi)發(fā)時(shí)間越來(lái)越短，但所需功能集日益擴(kuò)展，使得繁忙的開(kāi)發(fā)人員需要千方百計(jì)在更短的時(shí)間內(nèi)完成更多工作。通常，使用RTOS可以提高任務(wù)管理和資源共享的效率。

什么是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)

簡(jiǎn)而言之，RTOS是一款旨在有效管理中央處理器(CPU)時(shí)間的軟件。當(dāng)時(shí)間是應(yīng)用的重點(diǎn)時(shí)，這對(duì)于嵌入式系統(tǒng)尤為重要。

Windows等操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)中常用的RTOS的主要區(qū)別，在于對(duì)外部事件的響應(yīng)時(shí)間。Windows等普通OS提供對(duì)事件的不確定性響應(yīng)，即使試圖保持響應(yīng)速度也無(wú)法保證何時(shí)處理事件。使得用戶(hù)認(rèn)為操作系統(tǒng)響應(yīng)靈敏，比處理基礎(chǔ)任務(wù)更為重要。另一方面，RTOS則提供了實(shí)時(shí)響應(yīng)和高度確定性的反應(yīng)。

習(xí)慣使用Windows或Linux等操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員將會(huì)非常熟悉嵌入式RTOS的特性。它們經(jīng)設(shè)計(jì)在內(nèi)存有限的系統(tǒng)中運(yùn)行，并且可以無(wú)限期運(yùn)行而無(wú)需重置。

由于RTOS旨在快速響應(yīng)事件并在重負(fù)載下執(zhí)行，RTOS在執(zhí)行大型任務(wù)時(shí)可能會(huì)較其他OS慢。

RTOS調(diào)度

RTOS的價(jià)值在于很高的響應(yīng)速度，而高級(jí)調(diào)度算法是其中的關(guān)鍵組件。 嵌入式系統(tǒng)的時(shí)間要求各有不同，從軟實(shí)時(shí)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)到硬實(shí)時(shí)飛機(jī)安全系統(tǒng)等等。在后者的情況下，只有能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)OS調(diào)度程序的行為，才能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求的基礎(chǔ)需求。 許多操作系統(tǒng)給人以一次執(zhí)行多個(gè)程序的印象，但是這種多任務(wù)處理其實(shí)只是一種錯(cuò)覺(jué)。單個(gè)處理器內(nèi)核在任一時(shí)間只能運(yùn)行單個(gè)執(zhí)行線(xiàn)程。操作系統(tǒng)的調(diào)度程序決定何時(shí)運(yùn)行哪個(gè)程序或線(xiàn)程。通過(guò)在線(xiàn)程之間快速切換，它帶來(lái)了同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)的錯(cuò)覺(jué)。 靈活的RTOS調(diào)度程序允許采用廣泛的方法來(lái)處理優(yōu)先級(jí)，盡管RTOS通常主要用于非常狹窄的應(yīng)用程序集。RTOS調(diào)度程序應(yīng)提供最小的中斷延遲和最小的線(xiàn)程切換開(kāi)銷(xiāo)。這是使得RTOS與重視時(shí)間的嵌入式系統(tǒng)如此密切相關(guān)的原因。

在嵌入式設(shè)計(jì)中使用RTOS

許多嵌入式設(shè)計(jì)編程人員避免使用RTOS，因?yàn)樗麄儜岩蒖TOS給其應(yīng)用程序增加了太多的復(fù)雜性，或者RTOS其實(shí)是一個(gè)未知的領(lǐng)域。RTOS通常需要最多占用5%的CPU資源來(lái)執(zhí)行其任務(wù)。盡管總會(huì)有一些資源上的損失，但RTOS可以在簡(jiǎn)化的確定性，通過(guò)硬件抽象的易用性，減少的開(kāi)發(fā)時(shí)間以及更便利的調(diào)試等等方面彌補(bǔ)這一不足。 使用RTOS意味著你可以同時(shí)運(yùn)行多項(xiàng)任務(wù)，并在需要時(shí)引入基本的連接性、隱私、安全性等。RTOS允許針對(duì)項(xiàng)目的特定需求創(chuàng)建優(yōu)化的解決方案。

推出Zephyr RTOS

這有許多RTOS解決方案，Nordic世界的許多開(kāi)發(fā)人員都專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)低功耗嵌入式系統(tǒng)。如果是這樣，我們建議查看Zephyr，它非常適合要求超低功耗的連接解決方案。 模塊化的Zephyr RTOS支持多種架構(gòu)，因此開(kāi)發(fā)人員可以輕松定制解決方案以滿(mǎn)足其需求。 Zephyr是真正的開(kāi)源解決方案。某些聲稱(chēng)是開(kāi)源的RTOS其實(shí)是由私人企業(yè)推動(dòng)的，而Zephyr則由Linux基金會(huì)管理，因此是開(kāi)源協(xié)作方案。Nordic代表?yè)?dān)任委員會(huì)和工作組成員，他們與來(lái)自其他大型和小型企業(yè)的代表一起工作。 額外的好處到目前為止，RTOS的確定性調(diào)度功能已經(jīng)成為焦點(diǎn)。此外，諸如Zephyr之類(lèi)的RTOS還具有其他有用的功能。

Zephyr帶有功能強(qiáng)大的日志記錄系統(tǒng)，能夠輸出到多個(gè)后端，例如UART或RTT。日志具有不同的優(yōu)先級(jí)，帶有時(shí)間戳，并且可以按照模塊或關(guān)鍵性級(jí)別輕松過(guò)濾。

Zephyr還有許多簡(jiǎn)化調(diào)試的工具，例如CPU使用率監(jiān)控器、堆棧標(biāo)記、錯(cuò)誤處理程序以及對(duì)PC工具的支持，這些工具可讓?xiě)舨榭淳€(xiàn)程的執(zhí)行和調(diào)度。

當(dāng)然，Zephyr還支持成熟的OS功能，例如互斥鎖、內(nèi)存分配服務(wù)以及保護(hù)、線(xiàn)程同步和數(shù)據(jù)傳遞。當(dāng)然，擁有一系列用于組件選擇的現(xiàn)成驅(qū)動(dòng)程序也是很棒的功能。它使得開(kāi)發(fā)人員可以專(zhuān)注于手頭的應(yīng)用程序，而不必制作和測(cè)試低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序。

經(jīng)過(guò)一些適應(yīng)之后，我相信大多數(shù)嵌入式開(kāi)發(fā)人員將更喜歡使用RTOS而不是裸機(jī)編程。