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為什么要學習 RTOS

在大學里一般電子信息專業(yè)的最后大部分都進入嵌入式這個領(lǐng)域，入門首先接觸的是單片機編程，尤其是C51單片機，基礎(chǔ)的單片機編程通常都是指裸機編程，即不加入任何 RTOS(Real Time Operating System 實時操作系統(tǒng))。常用的有國外的FreeRTOS、μC/OS、RTX 和國內(nèi)的 RT-thread、Huawei LiteOS 和 AliOS-Things 等，其中開源且免費的 FreeRTOS 的市場占有率極高。在工作中用的最多的就是FreeRTOS，免費也沒有版權(quán)誰不喜歡用呢？

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裸機系統(tǒng)

1、輪詢系統(tǒng)

輪詢系統(tǒng)即是在裸機編程的時候，先初始化好相關(guān)的硬件，然后讓主程序在一個死循環(huán)里面不斷循環(huán)，順序地做各種事情。裸機系統(tǒng)通常分成輪詢系統(tǒng)和前后臺系統(tǒng)。

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*無限循環(huán)*/
for(;;){
/*處理事情1*/
DoSomething1();

/*處理事情2*/
DoSomethingg2();

/*處理事情3*/
DoSomethingg3();
}
}

輪詢系統(tǒng)是一種非常簡單的軟件結(jié)構(gòu)，通常只適用于那些只需要順序執(zhí)行代碼且不需要外部事件來驅(qū)動的就能完成的事情。在代碼清單中，如果只是實現(xiàn)LED翻轉(zhuǎn)，串口輸出，液晶顯示等這些操作，那么使用輪詢系統(tǒng)將會非常完美。但是，如果加入了按鍵操作等需要檢測外部信號的事件，用來模擬緊急報警，那么整個系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力就不會那么好了。

假設(shè)DoSomethingg3是按鍵掃描，當外部按鍵被按下，相當于一個警報，這個時候，需要立馬響應(yīng) ， 并做緊急處理 ， 而這個時候程序剛好執(zhí)行到DoSomethingg1， 要命的是DoSomethingg1需要執(zhí)行的時間比較久，久到按鍵釋放之后都沒有執(zhí)行完畢，那么當執(zhí)行到DoSomethingg3的時候就會丟失掉一次事件。足見，輪詢系統(tǒng)只適合順序執(zhí)行的功能代碼，當有外部事件驅(qū)動時，實時性就會降低。

2、前后臺系統(tǒng)

在裸機系統(tǒng)中，所有的操作都是在一個無限的大循環(huán)里面實現(xiàn),支持中斷檢測。外部中斷緊急事件在中斷里面標記或者響應(yīng)，中斷服務(wù)稱為前臺，main 函數(shù)里面的while(1)無限循環(huán)稱為后臺，按順序處理業(yè)務(wù)功能，以及中斷標記的可執(zhí)行的事件。小型的電子產(chǎn)品用的都是裸機系統(tǒng)，而且也能夠滿足需求。

intflag1=0;
intflag2=0;
intflag3=0;

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*無限循環(huán)*/
for(;;){
if(flag1){
/*處理事情1*/
DoSomething1();
}

if(flag2){
/*處理事情2*/
DoSomethingg2();
}

if(flag3){
/*處理事情3*/
DoSomethingg3();
}
}
}

voidISR1(void)
{
/*置位標志位*/
flag1=1;
/*如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理*/
DoSomething1();
}

voidISR2(void)
{
/*置位標志位*/
flag2=2;

/*如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理*/
DoSomething2();
}

voidISR3(void)
{
/*置位標志位*/
flag3=1;
/*如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理*/
DoSomething3();
}

在順序執(zhí)行后臺程序的時候，如果有中斷來臨，那么中斷會打斷后臺程序的正常執(zhí)行流，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序里面標記事件，如果事件要處理的事情很簡短，則可在中斷服務(wù)程序里面處理，如果事件要處理的事情比較多，則返回到后臺程序里面處理。

雖然事件的響應(yīng)和處理是分開了，但是事件的處理還是在后臺里面順序執(zhí)行的，但相比輪詢系統(tǒng)，前后臺系統(tǒng)確保了事件不會丟失，再加上中斷具有可嵌套的功能，這可以大大的提高程序的實時響應(yīng)能力。在大多數(shù)的中小型項目中，前后臺系統(tǒng)運用的好，堪稱有操作系統(tǒng)的效果。

一般來說：如果的項目里面沒有使用RTOS，則一般使用的都是這種前后臺系統(tǒng)。

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多線程系統(tǒng)

相比前后臺系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的事件響應(yīng)也是在中斷中完成的，但是事件的處理是在線程中完成的。在多線程系統(tǒng)中，線程跟中斷一樣，也具有優(yōu)先級，優(yōu)先級高的線程會被優(yōu)先執(zhí)行。

當一個緊急的事件在中斷被標記之后，如果事件對應(yīng)的線程的優(yōu)先級足夠高，就會立馬得到響應(yīng)。相比前后臺系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的實時性又被提高了。

多線程系統(tǒng)大概的偽代碼具體見代碼清單所示：

intflag1=0;
intflag2=0;
intflag3=0;

intmain(void)
{
/*硬件相關(guān)初始化*/
HardWareInit();

/*OS初始化*/
RTOSInit();

/*OS啟動，開始多線程調(diào)度，不再返回*/
RTOSStart();

while(1);/*程序不會執(zhí)行到這里*/
}

voidISR1(void)
{
/*置位標志位*/
flag1=1;
}

voidISR2(void)
{
/*置位標志位*/
flag2=2;
}

voidISR3(void)
{
/*置位標志位*/
flag3=1;
}

voidDoSomething1(void)
{
/*無限循環(huán)，不能返回*/
for(;;){
/*線程實體*/
if(flag1){

}
}
}

voidDoSomething2(void)
{
/*無限循環(huán)，不能返回*/
for(;;){
/*線程實體*/
if(flag2){

}
}
}

voidDoSomething3(void)
{
/*無限循環(huán)，不能返回*/
for(;;){
/*線程實體*/
if(flag3){

}
}
}

相比前后臺系統(tǒng)中后臺順序執(zhí)行的程序主體，在多線程系統(tǒng)中，根據(jù)程序的功能，我們把這個程序主體分割成一個個獨立的，無限循環(huán)且不能返回的小程序，這個小程序我們稱之為線程。

每個線程都是獨立的，互不干擾的，且具備自身的優(yōu)先級，它由操作系統(tǒng)調(diào)度管理。加入操作系統(tǒng)后，我們在編程的時候不需要精心地去設(shè)計程序的執(zhí)行流，不用擔心每個功能模塊之間是否存在干擾。

加入了操作系統(tǒng)，我們的編程反而變得簡單了。整個系統(tǒng)隨之帶來的額外開銷就是操作系統(tǒng)占據(jù)的那一丁點的FLASH和RAM?，F(xiàn)如今，單片機的 FLASH和RAM是越來越大，完全足以抵擋RTOS那點開銷。

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學習RTOS的意義到底是什么？

學習RTOS，一是項目需要，隨著產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能越來越多，單純的裸機系統(tǒng)已經(jīng)不能完美地解決問題，反而會使編程變得更加復雜，如果想降低編程的難度，就必須引入RTOS實現(xiàn)多任務(wù)管理。二是技能需要，掌握操作系統(tǒng)，和基于RTOS的編程，實現(xiàn)更好的職業(yè)規(guī)劃，對個人發(fā)展尤其是“錢途”是必不可少的。

大家可能一直覺得學操作系統(tǒng)就必須是linux，實際每個系統(tǒng)都有其應(yīng)用場景，對于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，殺雞焉用牛刀，小而美，且應(yīng)用廣泛的FreeRTOS 是首選。有一個操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，即使后續(xù)基于其他系統(tǒng)開發(fā)軟件，也可觸類旁通，對新技術(shù)快速入門。