何時(shí)需要使用RTOS

嵌入式開發(fā)人員在開始新項(xiàng)目時(shí)面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代到來(lái)之前，嵌入式系統(tǒng)幾乎沒(méi)有或沒(méi)有安全對(duì)策。如今，開發(fā)人員必須專注于增強(qiáng)嵌入式安全性，以防止在線對(duì)手和側(cè)通道攻擊，即使它們有致力于延長(zhǎng)電池壽命并配置響應(yīng)迅速且直觀的用戶界面。

多年來(lái)，對(duì)程序結(jié)構(gòu)的態(tài)度也發(fā)生了變化，從簡(jiǎn)單的循環(huán)到使用狀態(tài)機(jī)，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，需要使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。多核設(shè)備的廣泛使用也影響了開發(fā)人員構(gòu)建應(yīng)用程序的方式。

使用RTOS可以在嵌入式系統(tǒng)中帶來(lái)許多好處，包括更好的資源管理、可預(yù)測(cè)的應(yīng)用程序行為和改進(jìn)的響應(yīng)性。然而，采用RTOS需要重新思考程序結(jié)構(gòu)，關(guān)于基于RTOS的開發(fā)產(chǎn)業(yè)界仍然存在一些誤解。資深媒體人Robert Huntley與Segger、Zephyr Project和北歐半導(dǎo)體（Nordic）的高管進(jìn)行了交談，了解到更多關(guān)于開發(fā)人員必須做出的關(guān)鍵決策，以及如何簡(jiǎn)化從傳統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)向RTOS的過(guò)渡。

現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的作用

一個(gè)根本問(wèn)題是，現(xiàn)存程序結(jié)構(gòu)是否以及在哪里仍然有效。嵌入式RTOS供應(yīng)商Segger（德國(guó)）的合作伙伴營(yíng)銷經(jīng)理Dirk Akemann說(shuō)：“這里仍然有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的位置，但它越來(lái)越不受歡迎，這個(gè)問(wèn)題與小資源MCU仍然相關(guān)?！?/p>

Linux基金會(huì)嵌入式系統(tǒng)副總裁兼Linux托管開源Zephyr項(xiàng)目主任Kate Stewart也提出了類似的觀點(diǎn)?！斑@一切都取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，”她說(shuō)，“這是關(guān)于弄清楚嵌入式系統(tǒng)如何與硬件配合使用，以及您是否必須對(duì)任務(wù)和調(diào)度有精確性要求?！?/p>

Stewart說(shuō)：“如果約束很簡(jiǎn)單，那么你可以使用循環(huán)。然而，如果您的設(shè)計(jì)使用更復(fù)雜的環(huán)境，想要利用安全、安全和通信協(xié)議，并且需要時(shí)間限制，則RTOS是必要的?！?/p>

當(dāng)被問(wèn)及大學(xué)是否在向?qū)W生開發(fā)人員講授使用RTOS的好處和如何使用時(shí)，Akemann表示有工作要做。他說(shuō)：“一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)程序員，他們基本上知道如何編程，但這與嵌入式設(shè)計(jì)中的具體要求無(wú)關(guān)，而且真正解決這一問(wèn)題的課程仍然很少，從電氣工程專業(yè)的角度來(lái)看，它是相似的問(wèn)題?！?/p>

RTOS具有可移植性

在實(shí)施基于RTOS的開發(fā)方法時(shí)，需要做出一些關(guān)鍵決定。Stewart說(shuō)：“你必須了解的第一件事是在系統(tǒng)內(nèi)工作所需的資源限制。你完成任務(wù)的處理器配置是什么？你需要消耗多少電力？然后還有考慮，您是否有完成任務(wù)所需的通信等內(nèi)容要求，啟動(dòng)過(guò)程中是否有時(shí)間考慮因素，以及您可能需要的采樣率是多少。另一個(gè)因素是設(shè)備是否必須與人機(jī)交互?！?/p>

Akemann指出了代碼可移植性越來(lái)越重要?！叭绻性谠S多不同平臺(tái)上運(yùn)行的RTOS，當(dāng)您選擇的MCU不再可用或出現(xiàn)供應(yīng)鏈問(wèn)題時(shí)，您可以切換芯片。然而，請(qǐng)記住，如果你不使用RTOS，你的可移植性就會(huì)消失?！?/p>

首次使用RTOS的開發(fā)人員面臨著學(xué)習(xí)曲線，但Akemann表示，這不是不可逾越的。他說(shuō)：“通常，客戶會(huì)實(shí)施相當(dāng)笨重的一個(gè)應(yīng)用程序，但根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，他們很快就習(xí)慣了。Segger通過(guò)為我們的embOS RTOS提供一份包含許多示例的手冊(cè)來(lái)提供幫助。最初，人們只編寫一個(gè)超級(jí)循環(huán)應(yīng)用程序，并在將任務(wù)分配給特定進(jìn)程之前將所有內(nèi)容都放在一個(gè)任務(wù)中。他們甚至可能認(rèn)為操作系統(tǒng)中存在一些魔力，操作系統(tǒng)將讓他們有機(jī)會(huì)比以前做得更多。情況并非如此，但通常情況下，客戶會(huì)很快習(xí)慣這種現(xiàn)實(shí)?！?/p>

糾正誤解

關(guān)于RTOS的一個(gè)常見(jiàn)誤解是，與類似的裸機(jī)方法相比，內(nèi)存要求要高得多。Stewart反駁說(shuō)“Linux基金會(huì)的開源RTOS Zephyr項(xiàng)目只需要10kB就可以運(yùn)行一個(gè)Blinky應(yīng)用程序（閃爍LED而不是顯示“你好，世界”），然后您可以使用Zephyr Kconfig文件和設(shè)備樹來(lái)添加您需要的其余部分，一切都已經(jīng)集成到代碼庫(kù)中?！?/p>

Stewart還駁斥了RTOS是一個(gè)黑匣子的假設(shè)，她觀察到：“當(dāng)事情出錯(cuò)時(shí)，你需要有透明度和理解能力，這就是你通過(guò)開源RTOS獲得的。因此，當(dāng)事情不成功時(shí)，你可以把你的分析放到一個(gè)新的層級(jí)去做。”

Akemann談到了這樣的想法，即使用RTOS可以比沒(méi)有RTOS做更多事情，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中對(duì)硬件施加“小限制”。他說(shuō)RTOS將“增加一點(diǎn)執(zhí)行時(shí)間，因?yàn)樾枰a執(zhí)行才能從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)”。

Akemann說(shuō)，“另一個(gè)誤解是，RTOS是一個(gè)完整的操作系統(tǒng)，就像Windows或Linux一樣。嵌入式RTOS并非如此，它通常只是調(diào)度器本身。它不附帶IP堆棧、USB堆?；蛑С制渌鈬O(shè)備的協(xié)議。當(dāng)然，一些供應(yīng)商提供這些堆棧，但我們經(jīng)常從客戶那里聽(tīng)到的誤解是，他們想要一個(gè)完整的操作系統(tǒng)”包括來(lái)自單一來(lái)源的一切中間件。

硬件抽象

北歐半導(dǎo)體（挪威）的開發(fā)人員營(yíng)銷經(jīng)理Ali Aljaani就開發(fā)人員如何接受RTOS概念提供了見(jiàn)解?！皩?duì)于開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相當(dāng)大的話題?！彼f(shuō)，“如果你設(shè)身處地為來(lái)自嵌入式大學(xué)課程的開發(fā)人員著想，你控制硬件的方法就是寫寄存器。與將硬件設(shè)備參數(shù)放入頭文件中不同，使用RTOS，硬件是從源代碼中抽象出來(lái)的，就Zephyr而言，所有內(nèi)容都被抽象成設(shè)備樹，因此當(dāng)您選擇目標(biāo)時(shí)，它會(huì)選擇該硬件的設(shè)備樹?！?/p>

Aljaani說(shuō)，Nordic認(rèn)識(shí)到需要對(duì)從裸機(jī)方法切換到RTOS的工程師進(jìn)行教育和指導(dǎo)，并做出了相應(yīng)的響應(yīng)?！半S著硬件的不斷改進(jìn)、多個(gè)內(nèi)核和豐富的外圍設(shè)備，如果你想在裸機(jī)上做類似過(guò)程間通信的事情，那就是一場(chǎng)噩夢(mèng)。我們決定對(duì)教育進(jìn)行大量投資，并成立了北歐開發(fā)者學(xué)院。”Aljaani說(shuō)“例如，我們的NR Connect SDK基礎(chǔ)知識(shí)課程解釋了Zephyr的行為，Zephyr是我們使用的核心RTOS組件，以及Kconfig和設(shè)備樹的概念。這些需要都是動(dòng)手操作的，所以我們從用一個(gè)很小的源代碼解釋想法開始，并繼續(xù)構(gòu)建?！?/p>

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