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RTOS-面向嵌入式开发人员的实时操作系统 2023-01-25

RTOS-是一种在有效管理中央处理器(CPU)时间的软件,它对嵌入式系统尤其重要.由于RTOS旨在快速响应事件并在重负载下执行,因此与其他操作系统相比,在执行大型任务时可能更慢.

嵌入式开发人员通常习惯于裸机编程,或者对使用RTOS持保留态度。下面将介绍RTOS是什么,以及为什么您应该考虑使用RTOS。

如今的产品开发周期变得越来越复杂。随着可用的开发时间缩短,而所需的功能集却在不断扩大,忙碌的开发人员需要找到在更短的时间内做更多事情的方法。使用实时操作系统(RTOS)来提高任务管理和资源共享的效率通常很有意义。

RTOS是什么?

简而言之,RTOS是一种设计用来有效管理中央处理器(CPU)时间的系统。在时间紧迫的嵌入式系统中,这一点尤其重要。

Windows等操作系统与嵌入式系统中常见的RTOS之间的关键区别是对外部事件的响应时间。普通操作系统对事件提供不确定的响应,尽管它会试图保持响应,但不保证什么时候处理这些事件。让用户感知到操作系统的响应性要比处理底层任务更重要。另一方面,RTOS的目标是快速且更确定的反应。

习惯于Windows或Linux等操作系统的开发人员对嵌入式RTOS的特点非常熟悉。它们被设计为在内存有限的系统中运行,并且无需重启可以无限期运行。

由于RTOS旨在快速响应事件并在重负载下执行,因此与其他操作系统相比,它在执行大型任务时可能会更慢。

RTOS调度

RTOS的价值在于它的响应速度,在这方面,先进的调度算法是其关键组成部分。

从软实时洗衣机控制系统到硬实时飞机安全系统,嵌入式系统的时间关键度各不相同。在后者这样的情况下,只有能够准确地预测操作系统调度器的行为,才能满足实时需求。

许多操作系统给人的印象是同时执行多个程序,但这种多任务处理是一种错觉。一个处理器核心在同一时间只能运行一个线程。操作系统的调度器决定什么时候运行哪个程序或线程。通过在线程之间快速切换,它造成了同时进行多任务处理的错觉。

RTOS调度器的灵活性带来了广泛的优先级处理方法,尽管RTOS通常专注于非常小的应用程序。RTOS调度器应该提供最小的中断延迟和最小的线程切换开销。这就是RTOS对于限时嵌入式系统如此重要的原因。

RTOS在嵌入式设计中的应用

许多嵌入式程序员不愿使用RTOS,因为他们怀疑RTOS会给他们的应用增加太多的复杂性,或者仅仅因为这是一个未知的领域。RTOS通常最多需要占用5%的CPU资源。虽然总是会有一些资源损耗,但RTOS可以在简化确定性、通过硬件抽象实现易用性、减少开发时间和更容易调试等方面进行弥补。

使用RTOS意味着您可以同时运行多个任务,并在您需要时引入基本的数据连接、隐私性、安全性等。RTOS允许您为项目的特定需求创建优化的解决方案。

Zephyr RTOS简介

目前存在着许多RTOS解决方案。Nordic世界的许多开发人员都专注于低功耗嵌入式系统。如果是您,我们建议您了解一下Zephyr,它非常适合需要超低功耗的连接解决方案。 模块化的Zephyr RTOS支持多种架构,因此开发人员能够轻松地定制解决方案,以满足他们的需求。

Zephyr是一个真正的开源解决方案。虽然一些声称是开源的RTOS由私营公司推动,但Zephyr是一个Linux基金会托管的开源协作项目。Nordic的代表加入了委员会和工作组,与来自其他公司的代表一起工作。

其他优势

除了上述,像Zephyr这样的实时操作系统(RTOS)还具有其他有用的功能。

有一个强大的日志系统,能够将日志输出到多个后端,如UART或RTT。日志有不同的优先级,并带有时间戳,可以很容易地根据模块或关键级别进行过滤。

有许多工具可以简化调试,例如CPU使用监视器、堆栈哨兵、错误处理程序,并对PC工具的支持,这让用户可以查看线程执行和调度。

当然,Zephyr还支持已有操作系统功能,如互斥器、内存分配服务以及保护、线程同步和数据传递。当然,为选择的组件提供一组现成的驱动程序也是一个很棒的功能。它可以让开发人员专注于手头的应用,而非制作和测试底层驱动程序。

经过一些适应,我坚信大多数嵌入式开发人员将更喜欢使用RTOS而不是裸机编程。

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