嵌入式OS入門筆記-以RTX為案例：一.簡(jiǎn)介

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? ? ? ? 最近在做OS相關(guān)的項(xiàng)目，一方面涉及到大量（通用）操作系統(tǒng)的概念和理解，另一方面要深入到一個(gè)小實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的源代碼中，并在此操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用。雖然說(shuō)內(nèi)容上并不難，但是操作系統(tǒng)本身是一個(gè)非?；A(chǔ)，影響深遠(yuǎn)的計(jì)算機(jī)科技的小分支，所以把操作系統(tǒng)的知識(shí)重新整理一遍，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)際情況，形成這樣一套筆記，一是對(duì)項(xiàng)目的一個(gè)回顧，另外也方便將來(lái)回來(lái)查閱吧。

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1.操作系統(tǒng)的角色

? ? ? ? OS其實(shí)是一個(gè)很宏大的概念，不好捉摸。根據(jù)維基百科的定義，OS是一組管理硬件和為應(yīng)用軟件提供服務(wù)的軟件。這個(gè)說(shuō)法很精練但依然抽象。我覺(jué)得大部分OS扮演著兩個(gè)最主要的角色：硬件的抽象表達(dá)者和資源的管理者。

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硬件的抽象

? ? ? ? 如果要讀取硬盤(pán)中的某一個(gè)數(shù)據(jù)，首先得確定盤(pán)片，然后確定磁道和扇區(qū)，最后通過(guò)磁頭讀取進(jìn)內(nèi)存。這實(shí)際上是一系列復(fù)雜的機(jī)械和電子的操作，雖然說(shuō)復(fù)雜，但是影響最終運(yùn)作結(jié)果的因素（讀寫(xiě)地址）不多，大部分操作是對(duì)于不同的讀寫(xiě)都是相同的。如果每一次執(zhí)行讀寫(xiě)硬盤(pán)操作，應(yīng)用程序都要明確地對(duì)硬件作出準(zhǔn)確的指示，那么應(yīng)用程序會(huì)臃腫無(wú)比，程序員也會(huì)為編寫(xiě)這樣的程序感到非常無(wú)趣。

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? ? ? ? 正如David Wheeler的那句名言：“Any problem in computer science can besolved with another layer of indirection.”O(jiān)S的首要任務(wù)正是把這些繁雜的底層硬件的執(zhí)行細(xì)節(jié)隱藏，提供給程序和用戶一個(gè)相對(duì)抽象的概念。例如把一系列的機(jī)械和電子操作轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的一句代碼-讀取硬盤(pán)（地址）。

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? ? ? ? 一般普通計(jì)算機(jī)使用者之所以不熟悉底層的這些細(xì)節(jié)，也正是因?yàn)橛蠴S，這個(gè)硬件的抽象的存在。他們對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)作的認(rèn)識(shí)，只是一個(gè)建立在OS基礎(chǔ)之上的心理模型（mental model）。

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Hard ?Disk Driver - 《Operating System Concepts》

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資源的管理

? ? ? ? 最早期的計(jì)算機(jī)是沒(méi)有操作系統(tǒng)的，一般會(huì)有一個(gè)操作人員（operator）負(fù)責(zé)給程序排序，安排下一個(gè)時(shí)間段運(yùn)行何程序。其實(shí)這就是操作系統(tǒng)的雛形，而這時(shí)這個(gè)操作人員的主要任務(wù)就是分配計(jì)算機(jī)資源。操作系統(tǒng)的核心其實(shí)就是資源的分配和管理，特別是在多程序（multiprogramming）的環(huán)境下。如何優(yōu)化資源的分配，減少有害的競(jìng)爭(zhēng)，提高某些資源的共享效率，都是操作系統(tǒng)關(guān)心的核心話題。這里說(shuō)的資源主要指的是硬件資源，例如內(nèi)存，CPU，網(wǎng)絡(luò)帶寬和I/O等等。

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? ? ? ? 其實(shí)縱觀很多OS的教科書(shū)的組織，一般主要的討論話題不外乎進(jìn)程，內(nèi)存和外設(shè)。這些話題都離不開(kāi)OS的這兩個(gè)角色，例如進(jìn)程管理，很大一部分就是關(guān)于資源的分配，而進(jìn)程本身又是OS對(duì)程序的一個(gè)抽象。所以我覺(jué)得具體學(xué)習(xí)研究OS時(shí)，只要能夠抓住1.它抽象的對(duì)象和抽象的程度；2.如何合理的優(yōu)化資源的安排，就能夠達(dá)到學(xué)習(xí)研究的目的。

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2.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

? ? ? ? 其實(shí)嵌入式操作系統(tǒng)不一定就是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），反之亦然。但很多場(chǎng)合下嵌入式開(kāi)發(fā)應(yīng)用都對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，所以這兩個(gè)概念經(jīng)常混用。RTOS最突出的就是它要在deadline之前完成任務(wù)，其中又分兩種，一種是硬deadline，如果不能在規(guī)定deadline前完成，那么后果會(huì)很嚴(yán)重甚至產(chǎn)生一些致命的錯(cuò)誤；而軟deadline則稍微寬松一點(diǎn)，即使不能夠在deadline前完成，deadline后繼續(xù)完成任務(wù)直至完成也是可以接受的。

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? ? ? ? 一個(gè)很通常的誤區(qū)就是，RTOS和通用OS的最大差別是RTOS要快。雖然速度快很重要，但這不是RTOS的核心特征。RTOS最為重要的是其行為的決定性（determinism）和可預(yù)測(cè)性（Predictability），同時(shí)RTOS對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度要求也很高。當(dāng)然，RTOS的容錯(cuò)，糾錯(cuò)能力也要足夠強(qiáng)。

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? ? ? ? 這些特性其實(shí)都是一些極端工業(yè)環(huán)境下對(duì)OS的要求，例如在核反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)中，非常精確的控制，特別是在時(shí)間上的控制，往往決定了整個(gè)工業(yè)過(guò)程的成敗，而且失敗的代價(jià)往往非常高。所以一個(gè)好的RTOS，雖然沒(méi)有一些通用的操作系統(tǒng)全面，但其行為的差異（variance）會(huì)比通用OS小得多。

3.RTX

我會(huì)以Keil開(kāi)發(fā)的RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為主要的參考操作系統(tǒng)。這里面有幾個(gè)原因：

RTX五臟俱全，是個(gè)完整且優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) RTX對(duì)ARM設(shè)備Cortex-M系列的芯片有比較好的支持(自家產(chǎn)品) 更重要的是，RTX不僅免費(fèi)，而且其代碼是開(kāi)放的，是可以自由查閱的！

這些基本情況就寫(xiě)到這里，下次我會(huì)更具體地介紹一下RTX和其他涉及到的工具。