如何選擇您的嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)：選擇指南

When and where it makes sense to use bare-metal, an RTOS, and Linux.

在上一篇文章“如何選擇您的嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)特性”中，我們討論了團(tuán)隊(duì)在選擇操作系統(tǒng)時(shí)會(huì)權(quán)衡的系統(tǒng)特性。我們看到產(chǎn)品的生命周期成本、物理特性、實(shí)時(shí)性能、庫(kù)集成和安全性等特性發(fā)揮了作用（僅舉幾例）。今天的文章將準(zhǔn)確探討何時(shí)何地使用裸機(jī)、RTOS 和 Linux 是有意義的。請(qǐng)記住，這些是一般性指導(dǎo)方針，會(huì)因行業(yè)而異，甚至因產(chǎn)品而異。

何時(shí)使用裸機(jī)（無操作系統(tǒng)）

當(dāng)您查看有關(guān)連接、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)和其他前沿主題的營(yíng)銷頭條時(shí)，您可能會(huì)認(rèn)為每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都需要一個(gè)操作系統(tǒng)。不幸的是，這種印象與事實(shí)相去甚遠(yuǎn)！雖然許多尖端技術(shù)可能受益于操作系統(tǒng)，但您可以在沒有 RTOS 或 Linux 的情況下使用相當(dāng)多的應(yīng)用程序。如果您查看2019 年嵌入式市場(chǎng)調(diào)查，您會(huì)發(fā)現(xiàn)約 50% 的項(xiàng)目是裸機(jī)！

在幾種情況下，不使用操作系統(tǒng)會(huì)很有意義。首先，如果您使用的是 8 位或 16 位微控制器，您幾乎總是希望使用裸機(jī)或使用輕量級(jí)協(xié)作調(diào)度程序。許多操作系統(tǒng)開發(fā)人員不會(huì)將他們的軟件移植到更小的架構(gòu)上，因?yàn)檫@些系統(tǒng)已經(jīng)受到處理器和資源的限制。添加操作系統(tǒng)通常會(huì)消耗太多時(shí)鐘周期并使系統(tǒng)效率低下。

接下來，裸機(jī)解決方案在微控制器引腳數(shù)較少且可用閃存和 SRAM 有限的應(yīng)用中非常有意義。在資源受限的環(huán)境中工作時(shí)，每個(gè)字節(jié)和每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)對(duì)產(chǎn)品是否可用產(chǎn)生影響。如果微控制器資源有限，最有效的解決方案可能是沒有操作系統(tǒng)。

最后，如果您正在開發(fā)一個(gè)沒有任何連接或高性能處理需求的“簡(jiǎn)單”控制應(yīng)用程序，那么裸機(jī)可能對(duì)您的應(yīng)用程序有意義。當(dāng)今在嵌入式系統(tǒng)中使用操作系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)因素之一是需要支持基礎(chǔ)設(shè)施代碼。例如，連接互聯(lián)網(wǎng)的傳感器必須連接到云、管理安全分區(qū)、執(zhí)行安全更新、運(yùn)行 DSP 算法等。操作系統(tǒng)可以幫助管理所有這些活動(dòng)的時(shí)間和資源，但您可能不需要如果您沒有所有這些東西，請(qǐng)使用操作系統(tǒng)。

何時(shí)使用 RTOS

當(dāng)微控制器的板載資源達(dá)到 40 MHz 的最低時(shí)鐘速度、至少 64 KB 的閃存和 8 KB 的 RAM 時(shí)，使用操作系統(tǒng)的大門就開始了。減少任何東西，您將花費(fèi)更多時(shí)間來滿足 RTOS 的需求，而不是應(yīng)用程序的需求。例如，當(dāng)您使用 RTOS 時(shí)，每個(gè)任務(wù)都有自己的堆棧。堆棧至少需要 512 – 1024 字節(jié)的 SRAM。如果您的設(shè)計(jì)需要六個(gè)任務(wù)，您將很快耗盡內(nèi)存。您可能需要更多的閃存和 RAM 來構(gòu)建合適的系統(tǒng)。

當(dāng)我決定是使用 RTOS 還是使用裸機(jī)時(shí)，我會(huì)問自己幾個(gè)問題：

添加 RTOS 會(huì)簡(jiǎn)化軟件架構(gòu)嗎？

添加 RTOS 會(huì)提高軟件的可維護(hù)性嗎？

應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性能會(huì)提高嗎？

RTOS 是一種應(yīng)該為應(yīng)用程序和整個(gè)軟件開發(fā)生命周期提供價(jià)值的工具。如果 RTOS 是一個(gè)障礙，那么不應(yīng)該僅僅因?yàn)槲蚁胧褂盟褪褂盟?/p>

在某些特定的應(yīng)用程序中，使用 RTOS 會(huì)立即變得有意義。例如，如果我正在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，我?guī)缀蹩偸鞘褂?RTOS。這是因?yàn)?RTOS 提供了工具和機(jī)制來輕松管理低級(jí)資源并將應(yīng)用程序分解為半獨(dú)立的程序。當(dāng)應(yīng)用程序很復(fù)雜時(shí)，將應(yīng)用程序分解為任務(wù)很有意義。例如，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品通常需要幾個(gè)任務(wù)來管理連接，更不用說終端應(yīng)用了。另一個(gè)例子是有顯示器的設(shè)備，盡管有時(shí)這些應(yīng)用最適合多核處理器。

何時(shí)使用 Linux

近年來，在嵌入式系統(tǒng)中使用 Linux 已成為一種流行的選擇。Linux 受歡迎的部分原因在于它提供了一個(gè)功能齊全的操作系統(tǒng)，并附帶了所有的花里胡哨。Linux 帶有大量的庫(kù)和特性。開發(fā)人員可以利用多任務(wù)處理甚至內(nèi)核的實(shí)時(shí)補(bǔ)丁。此外，運(yùn)行 Linux 的硬件成本在過去五年中大幅下降，使其成為特定應(yīng)用程序的令人興奮的解決方案。

在查看一個(gè)項(xiàng)目是否可以使用嵌入式 Linux 時(shí)，我考慮了幾點(diǎn)。首先，產(chǎn)品必須能夠支持硬件的財(cái)務(wù)成本。我最近有一個(gè)客戶，我第三次幫助重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品，因?yàn)榍皟晌辉O(shè)計(jì)師無法滿足制造價(jià)格目標(biāo)。該產(chǎn)品的目標(biāo)受眾愿意為該產(chǎn)品支付大約 40 美元。最初的設(shè)計(jì)師使用 Linux 構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)，材料成本超過 100 美元！使用微控制器和用于操作系統(tǒng)的 RTOS 重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，我能夠?qū)?BOM 降至 11 美元左右。這就是擁有可持續(xù)發(fā)展的公司和不存在的公司之間的區(qū)別。

使用 Linux 時(shí)要考慮的第二點(diǎn)是產(chǎn)品的體積。如果你有一個(gè)小批量的產(chǎn)品，用戶可能已經(jīng)支付了更大的金額。當(dāng)您查看非經(jīng)常性工程成本和產(chǎn)品成本之間的權(quán)衡時(shí)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)使用 Linux 可以顯著降低 NRE 和上市時(shí)間。如果客戶對(duì)價(jià)格不敏感，Linux 可能更具有商業(yè)意義。

最后，我們不能忘記 Linux 為我們提供了強(qiáng)大的抽象、服務(wù)和庫(kù)，可以簡(jiǎn)化工程。如果我們的產(chǎn)品非常復(fù)雜，我們可以利用 Linux 來簡(jiǎn)化我們與硬件的交互方式。我們可以使用更現(xiàn)代的編程語(yǔ)言，如 Python。如果需要，我們可以自定義內(nèi)核。Linux 非常適用于許多嵌入式應(yīng)用程序。如果您需要靈活性以及利用現(xiàn)有庫(kù)的能力，Linux 可能是您應(yīng)用程序的絕佳選擇。

結(jié)論

選擇用于嵌入式產(chǎn)品的操作系統(tǒng)可能會(huì)影響項(xiàng)目的成敗。太輕量級(jí)會(huì)導(dǎo)致開發(fā)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)更多的精力和時(shí)間來使事情正常工作。另一方面，過重會(huì)導(dǎo)致更高的物料清單成本。正如我們所見，為您的應(yīng)用程序選擇正確的操作系統(tǒng)歸結(jié)為權(quán)衡對(duì)您的團(tuán)隊(duì)和用戶最重要的東西。


審核編輯 黃昊宇