在智能化日益普及的今天，單片機實時操作系統(tǒng)(RTOS)的存在，為單片機提供了強大的控制能力和高效能的工作機制。接下來，我們將深入探討三款廣受歡迎的單片機實時操作系統(tǒng)：μC/OS-II、FreeRTOS以及RT-Thread，詳細剖析它們的獨特特性、適用場景，并探討在開發(fā)過程中如何根據(jù)需求做出明智的選擇。

單片機作為嵌入式系統(tǒng)的核心組件，已深入到眾多應用領域中。而單片機實時操作系統(tǒng)在這些系統(tǒng)中起到了至關重要的作用。它不僅提供了強大的控制和高效機制，還使得設備能在各種應用領域中穩(wěn)定運行。單片機RTOS不僅增強了單片機的能力，也為其應用在智能設備中提供了穩(wěn)定性和高效性。μC/OS-II是一款實時操作系統(tǒng)，專為單片機設計。它以其高穩(wěn)定性和可移植性在嵌入式領域贏得了廣泛的贊譽。μC/OS-II以其可移植、可固化、可裁剪的特性著稱，適用于需要實時性的項目。該操作系統(tǒng)能在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中確保各軸電機控制任務和刀具換刀任務的有序執(zhí)行。

μC/OS-II提供了豐富的功能，包括任務管理、時間管理、內存管理和任務間通信等。其多任務處理能力使得系統(tǒng)能夠同時處理多個任務，顯著提高了系統(tǒng)的效率。支持多任務處理，同時還提供任務管理、內存管理及高效的通信機制。在工業(yè)自動化和汽車電子等領域，μC/OS-II的應用尤為顯著。例如，在工業(yè)自動化設備的應用場景中，高優(yōu)先級任務能夠迅速搶占并執(zhí)行，確保系統(tǒng)對故障的實時響應。此外，其內存管理機制也大大減少了內存碎片化，提高了內存使用效率并簡化任務間的協(xié)同工作。

我們日常使用的 PC 機，它的主要目標是并行執(zhí)行多任務，強調的是吞吐率(盡可能多的執(zhí)行很多應用程序的代碼)，因此，采用的是分時操作系統(tǒng)，也就是每個任務都有一個時間片，當一個任務分配的時間片用完了，就自動換出(調度)，然后執(zhí)行下一個任務。我們平常在寫 x86 平臺上寫普通的客戶端程序時，很少需要指定應用程序的調度策略和優(yōu)先級，使用的是系統(tǒng)默認的調度機制。反過來說，也就是在某些需要的場合下，是可以設置進程的調度策略和優(yōu)先級的。例如在 Linux 系統(tǒng)中，可以通過 sched_setscheduler() 系統(tǒng)函數(shù) 設置 3 種調度策略：

1. SCHED_OTHER： 系統(tǒng)默認的調度策略，計算動態(tài)優(yōu)先級(counter+20-nice)，當時間片用完之后放在就緒隊列尾;

2. SCHED_FIFO： 實時調度策略，根據(jù)優(yōu)先級進行調度，一旦占用CPU就一直執(zhí)行，直到自己放棄執(zhí)行或者有更高優(yōu)先級的任務需要執(zhí)行;

3. SCHED_RR： 也是實時調度策略，在 SCHED_FIFO 的基礎上添加了時間片。在執(zhí)行時，可以被更高優(yōu)先級的任務打斷，如果沒有更高優(yōu)先級的任務，那么當任務的執(zhí)行時間片用完之后，就會查找相同優(yōu)先級的任務來執(zhí)行。

1. 為什么 Linux 系統(tǒng)是軟實時的?

可能有小伙伴會有疑問：既然 Linux 系統(tǒng)中提供了 SCHED_FIFO 基于優(yōu)先級的調度策略，為什么仍然不能稱之為真正的硬實時操作系統(tǒng)?這就要從 Linux 的發(fā)展歷史說起了。

Linux 操作系統(tǒng)在設計之初，就是為了桌面應用而開發(fā)的，在那個時代，多個終端(電傳打字機和屏幕)連接到同一個電腦主機，需要處理的是多任務、并行操作，并不需要考慮實時性，因此，在 Linux 內核中的一些基因，嚴重影響了它的實時性，例如有如下幾個因素：

(1) 內核不可搶占

我們知道，一個應用程序在執(zhí)行時，可以在用戶態(tài)和內核態(tài)執(zhí)行(當調用一個系統(tǒng)函數(shù)，例如：write 時，就會進入內核態(tài)執(zhí)行)，此時任務是不可搶占的。

即使有優(yōu)先級更高的任務準備就緒，當前的任務也不能立刻停止執(zhí)行。而是必須等到當前這個任務返回到用戶態(tài)，或者在內核態(tài)中需要等待某個資源而睡眠時，高優(yōu)先級任務才可以執(zhí)行。

因此，這就很顯然無法保證高優(yōu)先級任務的實時性了。

(2) 自旋鎖

自旋鎖是用于多線程同步的一種鎖，用來對共享資源的一種同步機制，線程反復檢查鎖變量是否可用。由于線程在這一過程中保持執(zhí)行，因此是一種忙等待。一旦獲取了自旋鎖，線程會一直保持該鎖，直至顯式釋放自旋鎖。

自旋鎖避免了進程上下文的調度開銷，因此對于線程只會阻塞很短時間的場合是有效的，也就是說，只能在阻塞很短的時間才適合使用自旋鎖。

但是，在自旋鎖期間，任務搶占將會失效，這就是說，即使自旋鎖的阻塞時間很短，但是這仍然會增加任務搶占延時，讓調度變得不確定。

(3) 中斷的優(yōu)先級是最高的

任何時刻，只要中斷發(fā)生，就會立刻執(zhí)行中斷服務程序，也就是中斷的優(yōu)先級是最高的。只有當所有的外部中斷和軟終端都處理結束了，正常的任務才能得到執(zhí)行。

這看起來是好事情，但是想一想，如果有比中斷優(yōu)先級更高的任務呢?假如系統(tǒng)在運行中，網(wǎng)口持續(xù)接收到數(shù)據(jù)，那么中斷就一直被執(zhí)行，那么其他任務就可能一直得不到執(zhí)行的機會，這是影響 Linux 系統(tǒng)實時性的巨大挑戰(zhàn)。

(4) 同步操作時關閉中斷

如果去看 Linux 內核的代碼，可以看到在很多地方都執(zhí)行了關中斷指令，如果在這期間發(fā)生了中斷，那么中斷響應時間就沒法保證了。

2. Linux 系統(tǒng)如何改成硬實時?

以上描述的幾個因素，對 Linux 實現(xiàn)真正的實時性構成了很大的障礙，但是現(xiàn)實世界又的確有很多場合需要 Linux 具有硬實時，那么就要針對上面的每一個因素提出解決方案。

目前主流的解決方案有 2 個：單內核解決方案：給 Linux 內核打補丁，解決上面提到的幾個問題，例如：RT-Preempt;雙內核解決方案：在硬件抽象層之上，運行 2 個內核：實時內核 + Linux 內核，它們分別向上層提供 API 函數(shù)，例如：Xenomai。

基礎扎實：學習單片機有助于你深入理解底層硬件的工作原理，如IO操作、中斷處理、定時器、串行通信等。

資源消耗少：單片機通常用于資源受限的環(huán)境，因此學習單片機可以讓你了解如何在有限的資源下進行優(yōu)化。

實時性強：單片機通常用于需要快速響應的場合，如控制電機、讀取傳感器數(shù)據(jù)等。

成本較低：單片機的開發(fā)板通常價格較低，適合初學者。

RTOS還提供了豐富的資源管理功能，如內存管理、信號量、消息隊列等。這些機制有助于開發(fā)者實現(xiàn)任務間的同步和通信，提高系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。在裸機編程中，這些功能通常需要開發(fā)者自行實現(xiàn)，不僅增加了開發(fā)難度，還容易引入錯誤。通過RTOS的內存管理機制，開發(fā)者可以動態(tài)分配和釋放內存，有效避免內存泄漏和碎片問題。信號量和消息隊列等同步機制則有助于任務間的協(xié)調運行，防止資源沖突和死鎖現(xiàn)象的發(fā)生。這些功能在STM32等單片機上尤為重要，因為它們能夠顯著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。RTOS的另一個顯著優(yōu)勢在于其提高了開發(fā)效率。在裸機編程中，開發(fā)者需要手動管理中斷、定時器、內存等資源，這不僅耗時費力，還容易出錯。而RTOS提供了豐富的API和工具鏈，簡化了開發(fā)流程，降低了開發(fā)難度。通過RTOS，開發(fā)者可以更快地構建原型，進行功能驗證和調試。RTOS提供的任務調度和優(yōu)先級管理功能，使得開發(fā)者能夠更容易地定位和解決性能瓶頸。此外，RTOS還支持多種調度算法，如輪詢調度、優(yōu)先級調度和時間片輪轉調度等，開發(fā)者可以根據(jù)應用需求選擇合適的調度策略，進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。