RT-Thread RTOS

單片機處理器能力的提高和應用程序功能的復雜化、精確化，迫使應用程序劃分為多個重要性不同的任務，在各任務間優(yōu)化地分配CPU時間和系統(tǒng)資源，同時還要保證實時性。靠用戶自己編寫一個實現(xiàn)上述功能的內核一般是不現(xiàn)實的，而這種需求又是普遍的。在這種形勢之下，由專業(yè)人員編寫的、滿足大多數用戶需要的高性能RTOS內核就是一種必然結果了。

對程序實時性和可靠性要求的提高也是RTOS發(fā)展的一個原因。此外，單片機系統(tǒng)軟件開發(fā)日趨工程化，產品進入市場時間不斷縮短，也迫使管理人員尋找一種有利于程序繼承性、標準化、多人并行開發(fā)的管理方式。從長遠的意義上來講，RTOS的推廣能夠帶來嵌入式軟件工業(yè)更有效、更專業(yè)化的分工，減少社會重復勞動、提高勞動生產率。

?1.RTOS是一 個內核

典型的單片機程序在程序指針復位后，首先進行堆棧、中斷、中斷向量、定時器、串行口等接口設置、初始化數據存儲區(qū)和顯示內容，然后就來到了一個監(jiān)測、等待或空循環(huán)，在這個循環(huán)中，CPU可以監(jiān)視外設、響應中斷或用戶輸入。

這段主程序可以看作是一個內核，內核負責系統(tǒng)的初始化和開放、調度其它任務，相當于C語言中的主函數。

RTOS就是這樣的一個標準內核，包括了各種片上外設初始化和數據結構的格式化，不必、也不推薦用戶再對硬件設備和資源進行直接操作，所有的硬件設置和資源訪問都要通過RTOS核心。硬件這樣屏蔽起來以后，用戶不必清楚硬件系統(tǒng)的每一個細節(jié)就可以進行開發(fā)，這樣就減少了開發(fā)前的學習量。

一般來說，對硬件的直接訪問越少，系統(tǒng)的可靠性越高。RTOS是一個經過測試的內核，與一般用戶自行編寫的主程序內核相比，更規(guī)范，效率和可靠性更高。對于一個精通單片機硬件系統(tǒng)和編程的"老手"而言，通過RTOS對系統(tǒng)進行管理可能不如直接訪問更直觀、自由度大，但是通過RTOS管理能夠排除人為疏忽因素，提高軟件可靠性。

另外，高效率地進行多任務支持是RTOS設計從始至終的一條主線，采用RTOS管理系統(tǒng)可以統(tǒng)一協(xié)調各個任務，優(yōu)化CPU時間和系統(tǒng)資源的分配，使之不空閑、不擁塞。針對某種具體應用，精細推敲的應用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能達到更高的效率;但是對于大多數一般用戶和新手而言，采用RTOS是可以提高資源利用率的，尤其是在片上資源不斷增長、產品可靠性和進入市場時間更重要的今天。

2.RTOS是一個平臺

RTOS建立在單片機硬件系統(tǒng)之上，用戶的一切開發(fā)工作都進行于其上，因此它可以稱作是一個平臺。采用RTOS的用戶不必花大量時間學習硬件，和直接開發(fā)相比起點更高。

RTOS還是一個標準化的平臺，它定義了每個應用任務和內核的接口，也促進了應用程序的標準化。應用程序標準化后便于軟件的存檔、交流、修改和擴展，為嵌入式軟件開發(fā)的工程化創(chuàng)造了條件、減少開發(fā)管理工作量。嵌入式軟件標準化推廣到社會后，可以促進軟件開發(fā)的分工，減少重復勞動，近來出現(xiàn)的建立于RTOS上的文件和通信協(xié)議庫函數產品等就是實例。

RTOS對于開發(fā)單位和開發(fā)者個人來說也是一種提高。引入RTOS的開發(fā)單位，相當于引入了一套行業(yè)中廣泛采用的嵌入式系統(tǒng)應用程序開發(fā)標準，使開發(fā)管理更簡易、有效?；赗TOS和C語言的開發(fā)，具有良好的可繼承性，在應用程序、處理器升級以及更換處理器類型時，現(xiàn)存的軟件大部分可以不經修改地移植過來。

對于開發(fā)人員來說，則相當于在程序設計中采用一種標準化的思維方式，提高知識創(chuàng)造的效率;同時因為具有類似的思路，可以更快地理解同行其它人員的創(chuàng)造成果

一、時間約束性

實時系統(tǒng)的任務具有一定的時間約束(截止時間)。根據截止時間，實時系統(tǒng)的實時性分為"硬實時"和"軟實時"。硬實時是指應用的時間需求能夠得到完全滿足，否則就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命財產損失和生態(tài)破壞，如在航空航天、軍事、核工業(yè)等一些關鍵領域中的應用。軟實時是指某些應用雖然提出時間需求，但實時任務偶爾違反這種需求對系統(tǒng)運行及環(huán)境不會造成嚴重影響，如監(jiān)控系統(tǒng)等和信息采集系統(tǒng)等。

二、可預測性

可預測性是指系統(tǒng)能夠對實時任務的執(zhí)行時間進行判斷，確定是否能夠滿足任務的時限要求。由于實時系統(tǒng)對時間約束要求的嚴格性，使可預測性稱為實時系統(tǒng)的一項重要性能要求。除了要求硬件延遲的可預測性以外，還要求軟件系統(tǒng)的可預測性，包括應用程序的響應時間是可預測的，即在有限的時間內完成必須的工作;以及操作系統(tǒng)的可預測性，即實時原語、調度函數等運行開銷應是有界的，以保證應用程序執(zhí)行時間的有界性。

三、可靠性

大多數實時系統(tǒng)要求有較高的可靠性。在一些重要的實時應用中，任何不可靠因素和計算機的一個微小故障，或某些特定強實時任務(又叫關鍵任務)超過時限，都可能引起難以預測的嚴重后果。為此，系統(tǒng)需要采用靜態(tài)分析和保留資源的方法及冗余配置，使系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失?？煽啃砸殉蔀楹饬繉崟r系統(tǒng)性能不可缺少的重要指標。

四、與外部環(huán)境的交互作用性

實時系統(tǒng)通常運行在一定的環(huán)境下，外部環(huán)境是實時系統(tǒng)不可缺少的一個組成部分。計算機子系統(tǒng)一般是控制系統(tǒng)，它必須在規(guī)定的時間內對外部請求做出反應。外部物理環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者互相作用構成完整的實時系統(tǒng)。大多數控制子系統(tǒng)必須連續(xù)運轉以保證子系統(tǒng)的正常工作或準備對任何異常行為采取行動。

早期的實時系統(tǒng)功能簡單，包括單板機、單片機，以及簡單的嵌入式實時系統(tǒng)等，其調度過程相對簡單。隨著實時系統(tǒng)應用范圍的不斷擴大，系統(tǒng)復雜性不斷提高，實時系統(tǒng)具有以下新特點。

1、多任務類型

在實時系統(tǒng)中，不但包括周期任務、偶發(fā)任務、非周期任務，還包括非實時任務。實時任務要求要滿足時限，而非實時任務要求要使其響應時間盡可能的短。多種類型任務的混合，使系統(tǒng)的可調度性分析更加困難。

2、約束的復雜性

任務的約束包括時間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。時間約束是任何實時系統(tǒng)都固有的約束。資源約束是指多個實時任務共享有限的資源時，必須按照一定的資源訪問控制協(xié)議進行同步，以避免死鎖和高優(yōu)先級任務被低優(yōu)先級任務堵塞的時間(即優(yōu)先級倒置時間)不可預測。執(zhí)行順序約束是指各任務的啟動和執(zhí)行必須滿足一定的時間和順序約束。例如，在分布式端到端(end-to-end)實時系統(tǒng)很重，同一任務的各子任務之間存在前驅/后驅約束關系，需要執(zhí)行同步協(xié)議來管理子任務的啟動和控制子任務的執(zhí)行，使它們滿足時間約束和系統(tǒng)可調度要求。性能約束是指必須滿足如可靠性、可用性、可預測性、服務質量(Quality of Service,QoS)等性能指標。

3、具有短暫超載的特點

在實時系統(tǒng)中，即使一個功能設計合理、資源充足的系統(tǒng)也可能由于一下原因超載:

1)系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，外圍設備錯誤或系統(tǒng)發(fā)生故障。隨著系統(tǒng)運行時間的增長，系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化，系統(tǒng)部件可能發(fā)生故障，導致系統(tǒng)可用資源降低，不能滿足實時任務的時間約束要求。

2)環(huán)境的動態(tài)變化。由于不能對未來的環(huán)境、系統(tǒng)狀態(tài)進行正確有效地預測，因此不能從整體角度上對任務進行調度，可能導致系統(tǒng)超載。

3)應用規(guī)模的擴大。原先滿足實時任務時限要求的系統(tǒng)，隨著應用規(guī)模的增大，可能出現(xiàn)不能滿足任務時限要求的情況，而重新設計、重建系統(tǒng)在時間和經濟上又不允許。