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摘要：嵌入式實時操作系統(tǒng)是一個特殊的程序通常稱為內(nèi)核，它可以創(chuàng)建，銷毀，控制所有任務(wù)。顯示處理函數(shù)運行過程中，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進入定時器中斷程序?qū)鞲衅鳂酥疚恢?。實時操作系的子系統(tǒng)將再后續(xù)持續(xù)更新。
嵌入式實時操作系統(tǒng)是什么
嵌入式實時操作系統(tǒng)是一個特殊的程序，是一個支持多任務(wù)的運行環(huán)境。嵌入式實時操作系統(tǒng)最大的特點就是“實時性”，如果有一個任務(wù)需要執(zhí)行，實時操作系統(tǒng)會立即執(zhí)行該任務(wù)，不會有較長的延時。典型的實時操作系統(tǒng)有uCOS ，RT-Thread，F(xiàn)reeRTOS ，VxWorks，WinCE等。
嵌入式實時操作系統(tǒng)是一個特殊的程序(通常稱為內(nèi)核)，它可以創(chuàng)建，銷毀，控制所有任務(wù)。嵌入式實時操作系統(tǒng)除了包含一個內(nèi)核以外，還提供其他服務(wù)，如文件系統(tǒng)，協(xié)議棧，圖形用戶界面等。本文的重點在于了解嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核的工作原理和結(jié)構(gòu)，因此文中提到的實時操作系統(tǒng)通常指的是操作系統(tǒng)內(nèi)核。實時操作系統(tǒng)內(nèi)核通常要占用5%左右的CPU運行時間，另外內(nèi)核是一個軟件代碼，需要額外占用ROM空間和RAM空間。
實時性
實時性可以定義為：觸發(fā)條件產(chǎn)生后系統(tǒng)的反應(yīng)能力。通俗的描述就是“天下武功唯快不破”，能達到所需要的“快”就是實時,在不同的場合需要達到us級、ns級。實時系統(tǒng)不僅僅只表現(xiàn)在“快”上，更主要的是實時系統(tǒng)需要對觸發(fā)事件在限定時間內(nèi)做出反應(yīng)，這個限定時間是根據(jù)實際需要來定，例如自動駕駛控制系統(tǒng)的規(guī)定時間要求很短，需要在極短時間內(nèi)做出動作；一些農(nóng)業(yè)溫度控制系統(tǒng)的規(guī)定時間要求比較長，需要溫度控制平滑穩(wěn)定。
響應(yīng)時間
實時性越強，其響應(yīng)時間越短。響應(yīng)時間是指系統(tǒng)識別到一個事件到開始做出響應(yīng)的時間。舉一個簡單的例子：一個工控設(shè)備有一個急停按鍵開關(guān)，用戶希望按下急停開關(guān)的時候系統(tǒng)立即將停止所有的動作，假設(shè)用戶在第1.001秒時按下了急停開關(guān)，軟件系統(tǒng)在第1.011秒時執(zhí)行了停止指令，工控設(shè)備相應(yīng)的機械部件在1.211秒停止動作，此時軟件系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.01秒，設(shè)備系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.21秒，設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)時間和軟件系統(tǒng)的響應(yīng)時間有一定區(qū)別，通常情況下設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)時間>軟件系統(tǒng)的響應(yīng)時間。本文中提到的響應(yīng)時間指的是軟件系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
再舉一個通俗的例子：你在玩王者榮耀，突然發(fā)現(xiàn)對面打野從草叢中跑出準備gank你，從你眼睛看到，到手指點擊閃現(xiàn)，然后到你的人物閃現(xiàn)到塔下。這就是響應(yīng)時間，高端職業(yè)玩家可能只需要100ms即可完成整套動作，而菜鳥玩家可能需要1000ms來完成整個動作。
普通的嵌入式軟件架構(gòu)
普通的嵌入式軟件系統(tǒng)通常設(shè)計成前后臺結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)包含一個死循環(huán)和若干中斷服務(wù)程序：應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)的代碼塊，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作（后 臺），中斷程序用于處理系統(tǒng)的異步事件（前臺）。前臺稱做中斷級，后臺稱做任務(wù)級。下面是一個典型的前后臺結(jié)構(gòu)的代碼：
上圖中的代碼的執(zhí)行流程是：
1、判斷按鍵標志位，若標志位為1就執(zhí)行按鍵處理操作。
2、判斷通訊標志位，若標志位為1就執(zhí)行通訊處理操作。
3、執(zhí)行LCD顯示操作
4、判斷傳感器標志位，若標志位為1就執(zhí)行傳感器處理操作。
此代碼中有3個中斷函數(shù)：
1、GPIO外部中斷，當按鍵按下后產(chǎn)生一個中斷，中斷函數(shù)中將鍵標志位置1。
2、串口空閑中斷，當串口總線空閑時產(chǎn)生一個中斷，中斷函數(shù)中將通訊標志位置1。
3、定時器中斷，每500ms周期性產(chǎn)生一個中斷，中斷函數(shù)中將傳感器標志位置1。
代碼執(zhí)行如圖所示：
分析運行圖：
1、程序判斷按鍵標志位，標志位為0，不執(zhí)行按鍵處理函數(shù)。
2、程序判斷通訊標志位，標志位為0，不執(zhí)行通訊處理函數(shù)。
3、程序執(zhí)行顯示處理函數(shù)，此時用戶按下了按鍵，系統(tǒng)進入按鍵中斷程序?qū)存I標志位置1，中斷完成后返回顯示處理函數(shù)繼續(xù)運行。
4、顯示處理函數(shù)運行過程中，此時串口接收完一包數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一個空閑中斷，系統(tǒng)進入串口空閑中斷程序?qū)⑼ㄓ崢酥疚恢?，中斷完成后返回顯示處理函數(shù)繼續(xù)運行。
5、顯示處理函數(shù)運行過程中，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進入定時器中斷程序?qū)鞲衅鳂酥疚恢?。
6、顯示處理函數(shù)執(zhí)行完畢，程序判斷傳感器標志位，標志位為1，執(zhí)行通訊處理函數(shù)。
7、程序判斷按鍵標志位，標志位為1，執(zhí)行按鍵處理函數(shù)。
8、程序判斷通訊標志位，標志位為1，執(zhí)行通訊處理函數(shù)。
9、無限循環(huán)…
由上述例子可知，按鍵標志位和通訊標志位就緒后，程序還需要等待顯示函數(shù)，傳感器函數(shù)執(zhí)行完畢。即使是按鍵處理函數(shù)的緊急性再高，也需要等待其他函數(shù)執(zhí)行完畢。因此就產(chǎn)生了響應(yīng)延遲，響應(yīng)延遲的時間隨機的不確定的，有的時候時幾毫秒的時間，有的時候是幾百毫秒甚至更長（如執(zhí)行傳感器讀?。虼诵枰岣呦到y(tǒng)的實時性。
實時操作系統(tǒng)
實時操作系可以隨時剝奪正在運行任務(wù)的CPU使用權(quán)，并將CPU使用權(quán)交給進入就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)，使用操作系統(tǒng)后的運行圖如下：
分析運行圖：
1、低優(yōu)先級的顯示任務(wù)正在運行，此時用戶按下了按鍵，系統(tǒng)進入按鍵中斷程序給按鍵任務(wù)發(fā)送一個信號，此時按鍵任務(wù)進入就緒狀態(tài)，中斷返回時切換到按鍵處理任務(wù)中運行。
2、按鍵處理任務(wù)正在運行，此時串口接收完一包數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一個空閑中斷，系統(tǒng)進入串口空閑中斷程序并給通訊處理任務(wù)發(fā)送一個信號，通訊處理任務(wù)進入就緒狀態(tài)，中斷返回時切換到通訊處理任務(wù)。
3、通訊處理任務(wù)執(zhí)行完畢，放棄CPU使用權(quán)限，此時切換到按鍵處理任務(wù)。
4、按鍵處理任務(wù)執(zhí)行完畢，放棄CPU使用權(quán)限，此時切換到顯示處理任務(wù)。
由此可見，當觸發(fā)產(chǎn)生后實時操作系將立即中斷當前的任務(wù)并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。使用實時操作系可以極大的提高軟件系統(tǒng)的實時性。
實時操作系統(tǒng)組成
實時操作系由以下3個子系統(tǒng)組成（以uCOS和FreeRTOS為參考對象）：
1、任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)
2、任務(wù)通信子系統(tǒng)
3、內(nèi)存管理子系統(tǒng)
任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)主要是維護兩個鏈表：就緒表和等待表。切換任務(wù)時從就緒表中取出最高優(yōu)先級任務(wù)；任務(wù)需要延時等待時，內(nèi)核將任務(wù)中就緒表中移動到等待表中；時鐘節(jié)拍任務(wù)會周期性的更新等待表，并將等待時間完成的任務(wù)從等待表中移動到就緒表中。
任務(wù)通訊子系統(tǒng)主要是維護一個鏈表：掛起表。任務(wù)需要等待信號時，內(nèi)核將任務(wù)移動到掛起表中，當內(nèi)核收到信號時，內(nèi)核將任務(wù)從掛起表中移動到就緒表中。
內(nèi)存管理子系統(tǒng)，內(nèi)核提供了幾種動態(tài)申請內(nèi)存的方式，防止出現(xiàn)內(nèi)存碎片。
實時操作系的子系統(tǒng)將再后續(xù)持續(xù)更新。
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作者：李巍
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