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RTOS基本概念

概念（维基百科）

实时操作系统（Real-time operating system, RTOS），又称即时操作系统，它会按照排序执行、管理系统资源，并为开发应用程序提供一致的基础。
实时操作系统与一般的操作系统相比，最大的特色就是“实时性”，如果有一个任务需要执行，实时操作系统会马上（在较短时间内）执行该任务，不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。

为什么需要用RTOS

之前，当我们使用裸机开发时，处理较为简单的多任务，使用传统的轮询、前后台、状态机等方式即可实现需求，但当我们遇见较为复杂的多任务时，往往完成一个任务需要较长时间，并且难以将多任务碎片化再同时进行。这时RTOS便提供了一个现成、高效的解决方案。

基本原理

RTOS通过一套基于优先级、时间触发的机制，实现了将多个繁琐任务在各自设定好的时间间隔中重复、轮流调度。当时间间隔较短时，就好似所以任务是在同时进行一样。

常用技术

任务调度
同步原语
通信机制
任务通知
具体的实现细节见技术详解。

常见RTOS类型

  1. VxWorks - 由Wind River Systems开发，广泛用于航空航天、军事和工业应用中。
  1. FreeRTOS - 一个开源的RTOS，现由亚马逊网络服务（AWS）支持，广泛用于嵌入式设备。
  1. uc/OS - 由Micrium公司开发，现属于西门子，适用于微控制器级别的应用。
  1. QNX - 由黑莓公司拥有，广泛应用于汽车和工业自动化领域。
  1. RTLinux - 基于Linux的硬实时操作系统，适合需要Linux兼容性的实时应用。
  1. Windows CE（Compact Edition） - 微软开发的嵌入式操作系统，虽然微软已停止对其主流支持，但在一些特定领域仍有使用。
  1. ThreadX - 由Microsoft Azure Sphere支持，用于物联网（IoT）和嵌入式应用。
  1. VRTX - 一个高性能的RTOS，主要应用于需要高可靠性的关键任务系统中。
  1. NuttX - 一个开源的实时操作系统，适用于嵌入式系统，如无人机和物联网设备。
  1. mbed OS - 专为物联网设备设计，由ARM公司支持。
  1. RT-Thread - 国内流行的开源RTOS，广泛应用于各种嵌入式产品中。
  1. Huawei LiteOS - 华为推出的轻量级物联网操作系统

技术详解

栈与堆

学习过计算机组成原理的朋友们应该对栈和堆不陌生。那大家应该知道，我们平时运行程序时，运行的局部变量都是保存在栈当中的，而堆则是内存空间中一片我们可以通过函数手动划分的空间。
而内存管理对于RTOS尤其重要，因为为了保持各个任务的独立性，即使我们的不同任务在调取同一个函数，函数中的变量也不能对应到同一片内存地址。并且往往我们开辟多任务时，函数会多层嵌套调用，为了保证程序在任务间跳转时，之后还能够恢复现场，RTOS会将当时得寄存器、运行地址等等保存到栈当中，多层嵌套下来，又会占用不少内存。因此，在创建任务时，我们需要指定任务所需要的内存。
FreeRTOS提供了现成的内存管理方法，有5个，通常选择heap_4

heap_1

简单内存分配，无法释放内存

heap_2

允许动态释放内存，但较为简单，会有内存碎片化问题，有效内存无法使用

heap_3

使用标准库的malloc()和free()来管理内存。

heap_4

基于heap_2，增加了内存合并功能

heap_5

heap_4的改进办，支持多块非连续内存区域分配，但复杂度高，有更高的管理开销

任务调度器

任务状态

在RTOS中，每个任务只有四种可能状态
  • ready
    • 任务准备好了，随时可以运行，即进入running状态
  • runnin
    • 任务正在运行
  • blocked
    • 任务正在等待某个标志或事件发生，事件发生后进入ready状态
  • suspended
    • 任务被自己或者其他任务挂起，等待再次开启

任务状态关系图

notion image

任务优先级

每个任务在建立时都必须设定一个任务优先级，就像中断一样，高优先级的任务可以打断低优先级的任务，而具体到RTOS中，如果当前有任意高优先级的任务在运行时，低优先级任务是在等待的。
在创建任务时，任务会按各自的优先级被存入一个任务链表组，每个优先级都有一个由此优先级任务串成的链表。

时间片轮转

对于相同优先级的任务，如果没有更高优先级的任务在运行，则采取时分复用的方式运行，RTOS给每个任务依次划分了时间片，时间片从1毫秒到几十毫秒不等，也可能更长。
RTOS优先级的监测间隔为1个tick，一般为1ms或10ms，每个tick，RTOS都会自高优先级到低优先级检查任务链表，当检查到一个高优先级的链表中由准备好的任务时，便开始遍历这个链表上的任务，让它们在各自的时间片上运行。

空闲任务

RTOS自带一个优先级为0的任务，即优先级最低的任务，通常用于回收已经结束的任务的内存占用。为了让空闲任务可以被运行到，我们在编写代码时应当注意每个任务都不能总是占用运行时间，需要预留空闲时间，不然最终可能会导致程序内存不够而出现问题。
空闲任务可以被添加一个钩子函数，空闲任务每执行一次，就调用一次钩子函数，它可以用来运行一些后台函数，计算系统空闲时间或者进入省电状态。
 

任务创建函数

同步与互斥

在执行多任务时，我们常常会遇见同一个资源两个任务都想访问的情况，这种时候，必然只有一个任务可以访问，另一个任务无法访问，这叫互斥；因此另一个任务只有等到资源没有被使用时，接收到事件提示才能访问，这个过程就叫同步。
想要实现同步与互斥，只使用全局变量来做资源空闲标志是不行的，因为RTOS中的任务切换时以汇编语句为最小逻辑单元的，所以在判断标志位或者修改标志位的过程中，如果任务被切换了依然会出现两个任务同时访问的情况。
对此，RTOS提供了多种解决方式，如队列、事件组、信号量、任务通知、互斥量。
这些方法的有一个共性，当同时有多个任务执行操作时（读/写），会选择最高优先级的任务，如果优先级都相同，则选择被阻塞事件更长的任务。

各个解决方式的特点

方法
使用场景
队列
数据传递
信号量
状态通知，或者表示资源数量
互斥量
状态通知，但是解锁只能由当时上锁的任务实现，常用于串口
任务通知
用于通知指定的任务，效率高
事件组
有广播作用，可同时唤醒所有符合条件的任务，被唤醒任务可选择不清除事件

队列

队列即我们熟知的FIFO的数据结构。
在RTOS中，可使用队列来在任务和任务/中断之间传递数据，其依然遵从FIFO，写或者读某个队列的任务如果同时有多个，那么都会允许高优先级的任务读写。
用来写/读队列的函数，如果队列为满/空则都会使任务进入Blocked状态，直到队列可以被执行操作才唤醒任务，并且都可以设置最长等待时间。

信号量

用于任务通知，感觉可以认为是我们裸机开发时常用得全局标志位，只是加上了多任务下的blocked等待功能，可以用来当任务之间得计数器或者状态标志位。
其中，计数上限为1的被称为二进制信号量，常用于当作标志位。

互斥量

同样用于任务通知，不同于信号量，它的解锁只能由当时上锁的任务自身解开。常用于使用时不能被中断的外设，比如串口，或者使用全局/静态变量，不想被打断的变量修改。
在使用互斥量时，还又可能出现优先级反转的情况，如果优先级较低的任务锁了某个互斥量，而一个优先级高的任务希望得到互斥量，这时前者的优先级就会被暂时抬高到后者的等级。
 
然而，值得注意的是，学过数据库的朋友们应该了解到，这里存在一个死锁的问题，也就是说如果存在两个任务A、B，它们同时分别锁住了互斥量C、D，但A、B又希望得到对方的互斥量才能运行，这样就会无休止地等待下去，这就是死锁。
为了解决这个问题，RTOS提供了递归锁。

任务通知

任务通知，顾名思义就是起到通知任务的功能，但与前面提到的信号量不同，任务通知的发出方是知道通知的是谁的，并且任务通知的效率非常高，但无法广播，而且不能发送给中断ISR，但反之是可以的。

事件组

事件组用于满足多个任务就绪，并通知多个任务执行的情况。可以选择任务启动的条件逻辑（标志位与/或），被唤醒任务也可以选择不清除任务标志位。