為您的 Raspberry Pi 項(xiàng)目選擇正確的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）

選擇合適的操作系統(tǒng)對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。了解如何在Raspberry Pi上使用RTOS，并看看你有哪些選擇吧！

從OS到RTOS

Raspberry Pi是由Raspberry Pi基金會(huì)推出的一系列單板計(jì)算機(jī)（SBC）。它們最初是作為教育工具開發(fā)的，但后來(lái)被廣泛用于各種項(xiàng)目，包括機(jī)器人技術(shù)、家庭自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人和商業(yè)用途。這些信用卡大小的計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行普通電腦的任務(wù)，如文字處理、編程和網(wǎng)絡(luò)瀏覽。

在個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)上，你可能使用的是像Windows、MacOS或Linux這樣的全功能操作系統(tǒng)。（有些Raspberry Pi能夠運(yùn)行Windows，但它們的原生操作系統(tǒng)是基于Linux的。）但有時(shí)，這些類型的操作系統(tǒng)對(duì)于你的任務(wù)來(lái)說(shuō)過(guò)于占用資源。對(duì)于某些項(xiàng)目，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是更合適的選擇。

Pi上的RTOS

顧名思義，RTOS是為時(shí)間關(guān)鍵型用例設(shè)計(jì)的，換句話說(shuō)，就是那些必須滿足時(shí)間要求的項(xiàng)目。這類項(xiàng)目的例子可以在航天器系統(tǒng)、心臟起搏器和空中交通管制中找到。與通用計(jì)算系統(tǒng)相比，這些現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用需要精確的時(shí)間限制來(lái)管理和優(yōu)先處理任務(wù)。

必須指出的是，使用像Arduino這樣的微控制器板來(lái)處理實(shí)時(shí)任務(wù)是更常見的做法。也就是說(shuō)，Raspberry Pi單板計(jì)算機(jī)價(jià)格低廉，擁有龐大的社區(qū)，并提供充足的教育資源來(lái)幫助你入門。Raspberry Pi基金會(huì)還發(fā)布了他們的第一塊微控制器板——Raspberry Pi Pico。

局限性

如果你打算在Raspberry Pi單板計(jì)算機(jī)上運(yùn)行RTOS，那么需要注意一些局限性。RTOS系統(tǒng)的一個(gè)重要要求是足夠的隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（RAM），而較舊的Raspberry Pi型號(hào)可能沒(méi)有這一點(diǎn)。根據(jù)你的具體用途，你還需要注意你的板子的最大時(shí)鐘速度（Raspberry Pi4可以達(dá)到1,500 MHz，但這并不適用于整個(gè)系列）。

此外，Raspberry Pi單板計(jì)算機(jī)沒(méi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），而是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接來(lái)保持時(shí)間。這可能意味著對(duì)于時(shí)間關(guān)鍵型反饋應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可靠性和準(zhǔn)確性會(huì)降低。然而，這個(gè)問(wèn)題有解決辦法，比如添加一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。事實(shí)上，Raspberry PiPico已經(jīng)配備了RTC硬件。

（請(qǐng)注意，RTC中的“實(shí)時(shí)”與RTOS中的“實(shí)時(shí)”含義不同。前者是指能夠在現(xiàn)實(shí)世界中顯示時(shí)間的設(shè)備，而后者是指電子設(shè)備中的不間斷計(jì)時(shí)。）

如果你有一個(gè)需要RTOS的項(xiàng)目，那么有很多選擇可供選擇。讓我們來(lái)看看Raspberry Pi上一些最好的RTOS選項(xiàng)！

FreeRTOS

從名字上你可能就能猜到，F(xiàn)reeRTOS是一個(gè)用于嵌入式系統(tǒng)的免費(fèi)開源RTOS。它是一個(gè)相對(duì)較小的應(yīng)用程序，由不到9,000行代碼組成，包括注釋！盡管體積小，但它能夠優(yōu)先處理、調(diào)度和運(yùn)行用戶定義的任務(wù)。其代碼的約40%處理任務(wù)之間的通信，因此它是具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)先級(jí)項(xiàng)目的強(qiáng)大選擇。

FreeRTOS正在積極開發(fā)和支持，甚至可用于商業(yè)應(yīng)用。這意味著用戶可以使用FreeRTOS將其產(chǎn)品推向市場(chǎng)，而無(wú)需獲得開發(fā)者的許可或支付費(fèi)用。

GitHub用戶jameswalmsley已經(jīng)為Raspberry Pi整合了一個(gè)FreeRTOS的基本端口，如果你想自己嘗試，這將是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

• 開發(fā)者：Richard Barry（現(xiàn)在由亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理）

• 用途：時(shí)間關(guān)鍵型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的單一、獨(dú)立解決方案；更小、更易使用的選項(xiàng)

• 顯著特性和功能：提供多線程或多任務(wù)、互斥量、信號(hào)量和軟件定時(shí)器的方法；低功耗應(yīng)用的無(wú)滴答模式

ChibiOS

ChibiOS是一個(gè)緊湊且快速的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。盡管體積?。ūM管不如FreeRTOS那么小），但在性能上毫不妥協(xié)。它可以從8位架構(gòu)向上擴(kuò)展，功能完整，具有完全靜態(tài)的架構(gòu)以及清晰優(yōu)雅的代碼庫(kù)。

如果你想使用它，ChibiOS在三種許可下可用：有免費(fèi)的開源和商業(yè)選項(xiàng)，以及一個(gè)用于大規(guī)模部署的付費(fèi)完全商業(yè)許可。

GitHub用戶steve-bate分享了ChibiOS的Raspberry Pi端口，并提供了一個(gè)有用的入門指南，包括硬件解釋。

• 開發(fā)者：Giovanni Di Sirio

• 用途：緊湊、快速的RTOS

• 顯著特性和功能：對(duì)于大多數(shù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如就緒列表、計(jì)時(shí)器列表和線程隊(duì)列）使用高效的雙向循環(huán)鏈表

RTEMS

多處理器系統(tǒng)實(shí)時(shí)執(zhí)行體（RTEMS）是一個(gè)支持開放應(yīng)用程序接口（API）標(biāo)準(zhǔn)（如可移植操作系統(tǒng)接口POSIX）的開源選項(xiàng)。它已被用于太空飛行、醫(yī)療應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)以及許多其他嵌入式系統(tǒng)。

RTEMS定期更新穩(wěn)定版本，并有一個(gè)Discord服務(wù)器用于社區(qū)支持。

與這個(gè)列表上的其他一些選項(xiàng)不同，RTEMS直接支持Raspberry Pi硬件。如果你想試試它，可以從RTEMS網(wǎng)站下載軟件包，還有一個(gè)有用的設(shè)置指南。

開發(fā)者：OAR公司

用途：太空飛行、醫(yī)療行業(yè)、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用

顯著特性和功能：為Raspberry Pi提供指定支持包

RT-Thread

RT-Thread是一個(gè)開源且可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它與x86、ARM RISC-V和Xtensa硬件兼容，還有一個(gè)用于資源受限設(shè)備的Nano版本。最小內(nèi)核只需要1.2 KB的RAM和3 KB的閃存，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于你的Raspberry Pi可能擁有的可用資源。

RT-Thread特別支持基于RP2040的開發(fā)板，如Raspberry PiPico，它還列出了對(duì)Raspberry Pi2、3和4型號(hào)的支持。還有一個(gè)圖形化集成開發(fā)環(huán)境（IDE）（RT-Thread Studio），這使得這個(gè)RTOS對(duì)于經(jīng)驗(yàn)較少的開發(fā)者來(lái)說(shuō)更加易用。

開發(fā)者：Bernard Xiong & RT-Thread團(tuán)隊(duì)

用途：嵌入式應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

顯著特性和功能：為多個(gè)Raspberry PiSBC型號(hào)和Pico提供指定支持；圖形化IDE

NuttX

NuttX是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），專注于標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性，特別是POSIX和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）的標(biāo)準(zhǔn)。它的第二個(gè)重點(diǎn)是可伸縮性，并且與從8位到64位的微控制器環(huán)境兼容。

它已被移植到新的Raspberry PiPico和基于RP2040微控制器的其他主板上。它完全支持其兩個(gè)ARM Cortex-M0+核心上的對(duì)稱多處理（SMP）操作。

• 開發(fā)者：格雷戈里·納特（Gregory Nutt）

• 預(yù)期用途：符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的RTOS

• 顯著特點(diǎn)和功能：體積小、可伸縮性強(qiáng)

TrampolineRTOS

Trampoline是為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靜態(tài)RTOS，這意味著用戶可以對(duì)內(nèi)存分配進(jìn)行更多控制。這種類型的RTOS操作起來(lái)更復(fù)雜，但對(duì)于重復(fù)任務(wù)來(lái)說(shuō)，它可以是一個(gè)更穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的選擇。

Trampoline API與汽車標(biāo)準(zhǔn)保持一致，但這不僅僅是一個(gè)局限于單一行業(yè)的簡(jiǎn)單選擇。文檔中特別支持早期Raspberry Pi型號(hào)中使用的博通BCM2836處理器，因此，如果你手頭有舊款的Raspberry Pi，這將是一個(gè)安全且穩(wěn)定的選擇。

• 開發(fā)者：LS2N的實(shí)時(shí)系統(tǒng)小組

• 預(yù)期用途：汽車領(lǐng)域的嵌入式RTOS

• 顯著特點(diǎn)和功能：靜態(tài)RTOS；支持舊款Raspberry Pi型號(hào)

RODOS

實(shí)時(shí)機(jī)載可靠操作系統(tǒng)（RODOS）是另一個(gè)開源的嵌入式選項(xiàng)，最初是為控制衛(wèi)星而開發(fā)的，所以你可以相信它的準(zhǔn)確性！畢竟，它是在德國(guó)航空航天中心開發(fā)的，至今仍用于該中心的微衛(wèi)星項(xiàng)目。

RODOS可以獨(dú)立運(yùn)行（“裸機(jī)”）或在另一個(gè)操作系統(tǒng)之上運(yùn)行，這使其能夠靈活應(yīng)用于各種項(xiàng)目類型。

• 開發(fā)者：維爾茨堡大學(xué)信息學(xué)研究所

• 預(yù)期用途：衛(wèi)星控制或任何需要高可靠性的應(yīng)用

• 顯著特點(diǎn)和功能：超快速啟動(dòng)；線程安全的通信和同步

Mbed (Linux) OS

最后，Mbed OS是一個(gè)為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備設(shè)計(jì)的開源嵌入式操作系統(tǒng)。它包括基于ARM Cortex-M微控制器開發(fā)IoT設(shè)備所需的所有功能。雖然Mbed OS目前還不支持Raspberry Pi主板，但在撰寫本文時(shí)，一個(gè)針對(duì)Raspberry PiPico的移植版本正在開發(fā)中，并且過(guò)去已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了一些用于Raspberry Pi的API。

然而，相關(guān)的操作系統(tǒng)Mbed Linux OS是專門為Raspberry Pi3等流行開發(fā)板所基于的ARM Cortex-A處理器設(shè)計(jì)的。雖然該存儲(chǔ)庫(kù)已不再維護(hù)，但仍在GitHub上可訪問(wèn)，只是要注意，它不再獲得持續(xù)支持。

• 開發(fā)者：Arm

• 預(yù)期用途：嵌入式應(yīng)用和IoT設(shè)備

• 顯著特點(diǎn)和功能：Raspberry PiPico移植版本正在開發(fā)中