如何選擇嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)：選擇指南

在上一篇文章“如何選擇嵌入式系統(tǒng)操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)特征”中，我們討論了團隊在選擇操作系統(tǒng)時權(quán)衡的系統(tǒng)特征。我們看到產(chǎn)品的生命周期成本、物理特性、實時性能、庫集成和安全性等特征發(fā)揮了作用（僅舉幾例）。今天的帖子將精確地探討何時何地使用裸機，RTOS和Linux是有意義的。請記住，這些是一般準(zhǔn)則，因行業(yè)而異，甚至因產(chǎn)品而異。

何時使用裸機（無操作系統(tǒng)）

當(dāng)您查看有關(guān)連接性，物聯(lián)網(wǎng)，機器學(xué)習(xí)和其他前沿主題的營銷標(biāo)題時，您可能會認為每個嵌入式系統(tǒng)都需要操作系統(tǒng)。不幸的是，這種印象與事實相去甚遠！雖然許多尖端技術(shù)可能受益于操作系統(tǒng)，但對于相當(dāng)多的應(yīng)用程序，您可以在沒有RTOS或Linux的情況下生存。如果您查看2019年嵌入式市場調(diào)查，您會發(fā)現(xiàn)約50%的項目是裸機的！

在幾種情況下，不使用操作系統(tǒng)會很有意義。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或使用輕量級協(xié)作調(diào)度程序。許多操作系統(tǒng)開發(fā)人員不會將他們的軟件移植到較小的架構(gòu)中，因為這些系統(tǒng)已經(jīng)受到處理器和資源限制。添加操作系統(tǒng)通常會消耗太多的時鐘周期，并使系統(tǒng)效率低下。

接下來，裸機解決方案在微控制器引腳數(shù)較少且可用的閃存和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，每個字節(jié)和每個時鐘周期都會對產(chǎn)品是否可用產(chǎn)生影響。如果微控制器受到資源限制，最有效的解決方案可能是沒有操作系統(tǒng)。

最后，如果您正在處理一個沒有任何連接或高性能處理需求的“簡單”控制應(yīng)用程序，則裸機可能對您的應(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)動因素之一是需要支持基礎(chǔ)設(shè)施代碼。例如，連接到互聯(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，運行DSP算法等。操作系統(tǒng)可以幫助管理所有這些活動的時間和資源，但是如果您沒有所有這些內(nèi)容，則可能不需要操作系統(tǒng)。

何時使用實時操作系統(tǒng)

當(dāng)微控制器的板載資源達到40 MHz的最低時鐘速度，具有至少64千字節(jié)的閃存和8千字節(jié)的RAM時，使用操作系統(tǒng)的大門就開始了。如果做得更少，您將花費更多時間與RTOS的需求而不是應(yīng)用程序的需求作斗爭。例如，當(dāng)您使用 RTOS 時，每個任務(wù)都有自己的堆棧。堆棧至少需要 512 – 1024 字節(jié)的 SRAM。如果你的設(shè)計需要六個任務(wù)，你很快就會耗盡內(nèi)存。你可能需要更多的閃存和RAM來構(gòu)建一個合適的系統(tǒng)。

當(dāng)我決定是使用RTOS還是裸機時，我問自己幾個問題：

添加實時操作系統(tǒng)是否會簡化軟件架構(gòu)？

添加實時操作系統(tǒng)會提高軟件的可維護性嗎？

應(yīng)用程序的實時性能是否會得到改善？

RTOS是一種工具，應(yīng)該為應(yīng)用程序和整個軟件開發(fā)生命周期提供價值。如果RTOS是一個障礙，那么就不應(yīng)該僅僅因為我想使用它而使用它。

在一些特定的應(yīng)用中，使用RTOS是立即有意義的。例如，如果我正在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，我?guī)缀蹩偸鞘褂肦TOS。這是因為RTOS提供了工具和機制，可以輕松管理低級資源并將應(yīng)用程序分解為半獨立的程序。當(dāng)應(yīng)用程序很復(fù)雜時，將應(yīng)用程序分解為任務(wù)是非常有意義的。例如，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品通常需要幾個任務(wù)來管理連接，更不用說最終應(yīng)用了。另一個例子是具有顯示器的設(shè)備，盡管有時這些應(yīng)用程序最適合多核處理器。

何時使用 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受歡迎的部分原因是它提供了一個功能齊全的操作系統(tǒng)，其中包含隨之而來的所有花里胡哨的東西。Linux帶有大量的庫和功能。開發(fā)人員可以利用多任務(wù)處理，甚至是內(nèi)核的實時補丁。此外，運行Linux的硬件成本在過去五年中急劇下降，使其成為特定應(yīng)用程序的令人興奮的解決方案。

在考慮一個項目是否可以使用嵌入式Linux時，我會考慮以下幾點。首先，產(chǎn)品必須能夠支持硬件的財務(wù)成本。我最近有一個客戶，我第三次幫助重新設(shè)計他們的產(chǎn)品，因為前兩位設(shè)計師無法滿足制造價格目標(biāo)。該產(chǎn)品的目標(biāo)受眾愿意為該產(chǎn)品支付約40美元。最初的設(shè)計師使用Linux構(gòu)建了一個系統(tǒng)，材料清單成本超過100美元！使用微控制器和操作系統(tǒng)的RTOS重新設(shè)計產(chǎn)品，我能夠?qū)OM降低到11美元左右。這就是擁有一家可持續(xù)發(fā)展的公司和一家不存在的公司之間的區(qū)別。

使用 Linux 時要考慮的第二點是產(chǎn)品的卷。如果你有一個小批量的產(chǎn)品，用戶可能已經(jīng)支付了更多的金額。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，您可能會發(fā)現(xiàn)使用Linux可以大大減少NRE和上市時間。如果客戶對價格不敏感，Linux可能更具商業(yè)意義。

最后，我們不能忘記Linux為我們提供了強大的抽象，服務(wù)和庫，可以簡化工程。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。如果您需要靈活性和利用現(xiàn)有庫的能力，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)可能會成就或破壞項目。過于輕量級會導(dǎo)致開發(fā)團隊花費更多的精力和時間來使事情正常工作。另一方面，過重會導(dǎo)致更高的物料清單成本。正如我們所看到的，為您的應(yīng)用程序選擇正確的操作系統(tǒng)歸結(jié)為權(quán)衡對您的團隊和用戶最重要的東西。

審核編輯 黃昊宇