RTOS在STM32中的應(yīng)用

文章將介紹實時操作系統(tǒng)RTOS，分析為什么在嵌入式系統(tǒng)中使用它。

什么是實時操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的定義：

一個計算機系統(tǒng)可以大致分為四個部分：硬件（Hardware），操作系統(tǒng)（operating system），應(yīng)用程序（application programs），使用者（user）。

硬件包含了CPU，存儲空間，輸入輸出設(shè)備等為整個系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)的計算資源。

操作系統(tǒng)是一個控制程序，作為硬件和應(yīng)用程序之間的橋梁，主要是和硬件打交道，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)分配計算資源和內(nèi)存資源給不同的應(yīng)用程序使用，并防止系統(tǒng)出現(xiàn)故障。面對來自不同應(yīng)用程序的大量且互相競爭的資源請求，操作系統(tǒng)通過一個調(diào)度算法和內(nèi)存管理算法盡可能把資源公平，有效率地分配給不同的程序。

應(yīng)用程序則通過調(diào)用操作系統(tǒng)提供的API接口獲得相應(yīng)資源完成指定的任務(wù)。

一個通用操作系統(tǒng)提供的主要功能有（可見下圖藍色的部分）：

任務(wù)（應(yīng)用程序）的調(diào)度管理

堆棧和內(nèi)存管理

文件管理

隊列管理

中斷和定時器管理

資源管理

輸入輸出管理

值得注意的是，操作系統(tǒng)自身需要占用一定的計算資源和內(nèi)存資源，對于片上資源有限的單片機，可能需要根據(jù)需求剪裁操作系統(tǒng)的大小和功能。

實時性的含義

實時操作系統(tǒng)（RTOS-Real Time Operating System）中實時（Real Time）指的是任務(wù)（Task）或者說實現(xiàn)一個功能的線程（Thread）必須在給定的時間（Deadline）內(nèi)完成。

業(yè)界總有種誤解認(rèn)為如果能堆砌更多的處理器核心數(shù)目，更高的處理器頻率，更大的內(nèi)存，更快的總線速度系統(tǒng)就能一定達到實時性的表現(xiàn)。但是強大的計算能力并不能保證系統(tǒng)的實時性。

舉一個簡單例子比如汽車中的安全氣囊，在傳感器檢測到汽車發(fā)生碰撞后，安全氣囊需要在30ms內(nèi)完全打開，不然司機和乘客的人身安全將受到極大的威脅。即使車載ECU有很強大的計算能力，但是如果因為要執(zhí)行其他復(fù)雜計算任務(wù)或者任務(wù)調(diào)度的問題導(dǎo)致對汽車狀態(tài)的監(jiān)測和安全氣囊的響應(yīng)時間超過規(guī)定的時間，實時性無法得到保障導(dǎo)致系統(tǒng)失效和人員傷亡，這將會是非常嚴(yán)重的系統(tǒng)問題。

再舉個例子比如特斯拉的車載系統(tǒng)：車機系統(tǒng)采用的是Linux系統(tǒng)，而汽車的驅(qū)動模塊和剎車模塊使用的是各自獨自的系統(tǒng)。整個娛樂系統(tǒng)，觸摸屏以及智能駕駛系統(tǒng)，都與汽車的驅(qū)動完全分開，確保了系統(tǒng)的實時性。

一些其它的實時任務(wù)包括導(dǎo)彈的制導(dǎo)，無人駕駛等。為了保障這些實時任務(wù)能在給定的時間內(nèi)完成，需要一個實時系統(tǒng)對這些任務(wù)進行調(diào)度和管理。一個實時操作系統(tǒng)能盡力保障每個任務(wù)能在一個已知的最大運行時間（Maximum Response Time）內(nèi)完成，包括：

對中斷和內(nèi)部異常的處理

對安全相關(guān)的事件的處理

任務(wù)調(diào)度機制等

當(dāng)然系統(tǒng)的穩(wěn)定性不能僅僅依靠實時操作系統(tǒng)，安全功能（fail-safe function）相關(guān)的設(shè)計也是必須要考慮到的。在Netflix的紀(jì)錄片《一落千丈：波音大調(diào)查》中就提到，導(dǎo)致兩起波音最新機型737 Max的失事事故的直接原因在于當(dāng)飛機的迎角傳感器發(fā)生故障，機上裝載的機動特性增強系統(tǒng)（MCAS）誤認(rèn)為飛機處于失速狀態(tài)，無視飛行員的操縱強制自動接管飛機，持續(xù)壓機頭導(dǎo)致了慘劇的發(fā)生?？梢娍v使波音的飛控系統(tǒng)非常穩(wěn)定，但如果對傳感器的數(shù)值判定和使用不當(dāng)并缺少安全性冗余設(shè)計，系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性依然無法得到保障。

操作系統(tǒng)的種類

目前比較流行的實時操作系統(tǒng)包括黑莓QNX，FreeRTOS，uCOS，RT-Thread等。在上圖中可以看出，除了Linux和Windows通用操作系統(tǒng)外，接下來便是FreeRTOS受到廣大開發(fā)者的青睞。圖表中也羅列了一些國產(chǎn)的系統(tǒng)。比如騰訊發(fā)布和開源的TencentOS tiny，這是一個面向物聯(lián)網(wǎng)的實時操作系統(tǒng)。華為也推出了鴻蒙LiteOS， 萬物互聯(lián)未來可期。和實時操作系統(tǒng)（Real Time Operating System）相對應(yīng)的是通用操作系統(tǒng)（General Purpose Operating System）。

通用操作系統(tǒng)包括Linux，Windows，MAC等主流的操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)大家每天都在使用，功能也十分強大，只是它們有時為了保障系統(tǒng)的流暢運行，就不能保證每個程序都能實時響應(yīng)，在易用性和實時性之間有所取舍。而且單片機有限的片上資源也不足以支撐通用操作系統(tǒng)的運行。

正所謂術(shù)業(yè)有專攻，在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，從而更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。

FreeRTOS的介紹

FreeRTOS 是一個迷你的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源（尤其是RAM資源），只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實時操作系統(tǒng)能在小RAM單片機上運行。相對μC/OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行。

FreeRTOS的官網(wǎng)地址：https://www.freertos.org/

官網(wǎng)上會有關(guān)于FreeRTOS的最新新聞和技術(shù)文檔，如果大家吃透了FreeRTOS的技術(shù)文檔的話，其實也就不需要讀文章了哈哈。

FreeRTOS的特性

具有搶占式或者合作式的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核

功能可裁剪，最小占用10kB左右rom空間，0.5kB ram空間

具有低功耗模式

有互斥鎖、信號量、消息隊列等功能

運行過程可追蹤

STM32CubelDE

STM32CubeIDE 是一個多功能的集成開發(fā)工具，集成了TrueSTUDIO和STM32CubeMX，它是STM32Cube軟件生態(tài)系統(tǒng)的一部分。STM32CubeIDE是一個先進的C/C++開發(fā)平臺，具有STM32微控制器的IP配置，代碼生成，代碼編譯和調(diào)試功能。

相對而言對使用STM32平臺的童鞋們來說使用FreeRTOS非常方便和強大，因為它被集成到了STM32的開發(fā)環(huán)境當(dāng)中。

如上圖所示，強烈安利使用STM32CubeIDE進行STM32平臺項目的開發(fā)。通過舉手之間的配置，F(xiàn)reeRTOS就被部署到了項目中去。在項目結(jié)構(gòu)中中間件（Middlewares）你可以看到FreeRTOS這個文件。同時FreeRTOS的參數(shù)設(shè)置，添加刪除任務(wù)，定時器，消息隊列等都可以通過下面的圖形化界面進行配置，之后文章會詳細(xì)介紹。

標(biāo)準(zhǔn)庫和HAL庫

還有一點要說明的事情，STM的開發(fā)包括寄存器開發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)庫文件開發(fā)，還有HAL庫開發(fā)三種開發(fā)方式。市面上很多應(yīng)用教程都是針對標(biāo)準(zhǔn)庫設(shè)計的。本系列教程將統(tǒng)一采用HAL（Hardware Abstraction Layer）庫，這是一個痛苦的選擇，但是因為意法半導(dǎo)體（ST）已經(jīng)停止對標(biāo)準(zhǔn)庫文件的維護和開發(fā)，為了與時俱和移植性便利性選擇了HAL庫。HAL庫的原理和標(biāo)準(zhǔn)庫大同小異，所以學(xué)起來其實并不會太累，只是需要跳離舒適區(qū)慢慢適應(yīng)。

審核編輯 ：李倩