本文章为连载系列。。。持续更新中。。。很多同学在第一次接触单片机开发时写出来的程序几乎都是同一个样子在 main 函数里完成各种初始化操作然后进入到一个 while (1) 大循环中并在该循环中不停地执行轮询按键、读取传感器、刷新屏幕等工作。当项目简单的时候这种写法没有任何问题逻辑上比较简单且较好调试。不过随着功能一点点增加你可能会发现出现按键偶尔失灵、传感器采样间隔忽长忽短、串口数据一多整个程序就像卡住了一样等异常情况。由此可见当项目逐渐变复杂我们就不得不面对这样一个问题有没有一种更合理的方式来组织整个程序这正是嵌入式操作系统要解决的问题。一、先看看没有操作系统时程序是怎么写的不使用任何操作系统的程序通常被称为裸机程序。这种程序最常见的架构就是一个无限主循环在这个循环中把所有事情依次做一遍下面给出了一串简单的示例代码int main(void) { hardware_init(); while (1) { key_scan(); /* 扫描按键 */ sensor_read(); /* 读取传感器 */ display_update(); /* 刷新显示 */ uart_send(); /* 串口发送数据 */ } }这种结构的问题在于所有功能共享同一条执行路径如果任何一个函数执行得慢了后面的事情都得排队等着。有的同学可能会想到引入中断把紧急的事情放到中断服务函数里处理从而形成 主循环加中断 的前后台结构。不过中断只能处理单个事件多个功能模块之间的并发关系依然要靠我们用大量全局变量和状态标志去手工维护功能越多越容易出错。所以这种架构并不是万能的。有的同学可能会结合自己以往的经验开发出一种新的程序架构。也有的同学可能会直接选择市面上成熟的程序架构比如嵌入式操作系统。二、嵌入式操作系统到底是什么简单来说嵌入式操作系统就是运行在嵌入式设备上、夹在硬件和应用程序之间的一层管理软件它把 CPU、内存、中断、外设这些硬件资源统一管理起来再以服务的形式提供给上层应用。不过我们平常在开发中使用的是常常是RTOSReal Time Operating System即嵌入式操作系统中的实时操作系统比如 FreeRTOS、RT-Thread、μC/OS、Zephyr等。这种操作系统虽然和我们电脑上的 Windows、Linux 属于同一类概念但设计目标完全不同。嵌入式设备的内存和算力通常非常有限所以该系统必须足够小巧、可以按需裁剪。此外RTOS 最核心的追求是确定性。这种确定性并不是要求系统运行的速度很快而是要保证关键任务必须在规定的时间内得到响。三、它是怎么让多个任务 同时运行 的与祼机程序不同RTOS可以将一个一个完整的应用拆分成若干个相对独立的任务每个任务有自己的优先级和专属的栈空间并且都写成无限循环的形式。以常见的 RTOS 写法为例当需要一秒钟采集一次温湿度时可以创建如下所示的任务void sensor_task(void *arg) { while (1) { read_temp_humi(); vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); } }这样一来整个系统就可以根据需要创建多个任务每个任务可以专心做自己的事情可以减少不同功能模块之间的相互干扰。在RTOS内部系统依靠一个周期性的时钟节拍Tick来推动时间运转调度器会按照优先级决定此刻该让哪个任务占用 CPU。例如当高优先级任务就绪时它会立刻抢占低优先级任务RTOS把当前任务的寄存器和栈指针保存到它自己的栈上再把高优先级任务的现场恢复出来继续执行。这个保存和恢复的过程叫做上下文切换整个切换发生在很短的时间内于是在我们看来多个任务就像在同时运行一样。四、总结综上所述所谓嵌入式操作系统就是运行在资源受限的嵌入式设备上、统一管理硬件资源并为应用提供任务调度、内存管理、中断处理和任务间通信等服务的一层系统软件。其中 RTOS 凭借基于优先级的抢占式调度保证了关键任务响应的确定性把裸机程序中难以维护的并发逻辑变成了清晰的多任务模型。往期文章全新升级的手写RTOS课程从原理到实战一次掌握操作系统的核心C结构体的初始化你还在按顺序写试试这个C99神操作C语言居然也有布尔类型
