《單片機原理及系統(tǒng)設計實用教程》課件實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)進入單片機開發(fā)領域

實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)進入單片機開發(fā)領域內(nèi)

容1.實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)

(1)更加面向硬件系統(tǒng)，而不是操作者

嵌入式系統(tǒng)處理器一般都是獨立工作的，沒有人的直接參與；即使參與，也沒有大量的文字信息輸出，這是和桌面計算機有所不同的。因此RTOS著重面向的是硬件，而不是具有完整的人機界面。

(2)實時性

單片機系統(tǒng)的監(jiān)測、控制、通信等工作都要求實時性，一旦出現(xiàn)有關情況，CPU能夠及時響應，刻不容緩。為此，一個實用的RTOS都應具有完善的中斷響應機制，保證中斷響應潛伏時間足夠短。

(3)多任務

半導體技術的發(fā)展和應用復雜性的增長促使CPU的處理能力越來越高，當今的一片16位或32位單片機，在運算速度、尋址能力等方面可以相當于8位單片機的幾十片之和。在這樣強大的處理器上運行應用程序，必然不是整塊，而是根據(jù)所要實現(xiàn)的若干方面功能，劃分為數(shù)個任務，這樣有利于軟件的開發(fā)和維護。

因此單片機系統(tǒng)中采用的RTOS必然是支持多任務的，并能夠根據(jù)各個任務的輕重緩急，合理地在它們之間分配CPU和各種資源的占用時間。

(4)不同的典型外設驅動支持

單片機的典型片內(nèi)外設為定時器、A/D、PWM、D/A、串行口、LCD/LED接口,CAN-bus、IC-bus等。根據(jù)處理器類型的不同，RTOS在出廠時一般附帶若干上面硬件接口的驅動程度，而網(wǎng)卡等片外設備的驅動程序，以及其它一些高級驅動函數(shù)，如兼容DOS的文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議等，則需要另行選購。以RTOS為基礎和接口標準，可以設計出大量的庫函數(shù)驅動模塊，并根據(jù)實際需要選擇或裁剪。

(5)高可靠性

一般計算機的操作系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如死機，除數(shù)據(jù)丟失等外，不會有太大的問題；而單片機系統(tǒng)一般都是和工業(yè)控制、交通工具、醫(yī)用器械等機電系統(tǒng)密切相關，不適當?shù)妮敵錾踔敛患皶r的輸出都可能會帶來財產(chǎn)損失和安全問題。因此嵌入式系統(tǒng)中的RTOS要求高可靠性，發(fā)行之前必須經(jīng)過嚴格的測試。這是一個耗費時間和精力的過程，也是RTOS價格普遍高于一般操作系統(tǒng)的原因之一。

2.RTOS是一個內(nèi)核

典型的單片機程序在程序指針復位后，首先進行堆棧、中斷、中斷向量、定時器、串行口等接口設置、初始化數(shù)據(jù)存儲區(qū)和顯示內(nèi)容，然后就來到了一個監(jiān)測、等待或空循環(huán)，在這個循環(huán)中，CPU可以監(jiān)視外設、響應中斷或用戶輸入。

這段主程序可以看作是一個內(nèi)核，內(nèi)核負責系統(tǒng)的初始化和開放、調(diào)度其它任務，相當于C語言中的主函數(shù)。

RTOS就是這樣的一個標準內(nèi)核，包括了各種片上外設初始化和數(shù)據(jù)結構的格式化，不必、也不推薦用戶再對硬件設備和資源進行直接操作，所有的硬件設置和資源訪問都要通過RTOS核心。硬件這樣屏蔽起來以后，用戶不必清楚硬件系統(tǒng)的每一個細節(jié)就可以進行開發(fā)，這樣就減少了開發(fā)前的學習量。

一般來說，對硬件的直接訪問越少，系統(tǒng)的可靠性越高。RTOS是一個經(jīng)過測試的內(nèi)核，與一般用戶自行編寫的主程序內(nèi)核相比，更規(guī)范，效率和可靠性更高。對于一個精通單片機硬件系統(tǒng)和編程的“老手”而言，通過RTOS對系統(tǒng)進行管理可能不如直接訪問更直觀、自由度大，但是通過RTOS管理能夠排除人為疏忽因素，提高軟件可靠性。

另外，高效率地進行多任務支持是RTOS設計從始至終的一條主線，采用RTOS管理系統(tǒng)可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個任務，優(yōu)化CPU時間和系統(tǒng)資源的分配，使之不空閑、不擁塞。針對某種具體應用，精細推敲的應用程序不采用RTOS可能比采用RTOS能達到更高的效率；但是對于大多數(shù)一般用戶和新手而言，采用RTOS是可以提高資源利用率的，尤其是在片上資源不斷增長、產(chǎn)品可靠性和進入市場時間更重要的今天。

3.RTOS是一個平臺

RTOS建立在單片機硬件系統(tǒng)之上，用戶的一切開發(fā)工作都進行于其上，因此它可以稱作是一個平臺。采用RTOS的用戶不必花大量時間學習硬件，和直接開發(fā)相比起點更高。

RTOS還是一個標準化的平臺，它定義了每個應用任務和內(nèi)核的接口，也促進了應用程序的標準化。應用程序標準化后便于軟件的存檔、交流、修改和擴展，為嵌入式軟件開發(fā)的工程化創(chuàng)造了條件、減少開發(fā)管理工作量。嵌入式軟件標準化推廣到社會后，可以促進軟件開發(fā)的分工，減少重復勞動，近來出現(xiàn)的建立于RTOS上的文件和通信協(xié)議庫函數(shù)產(chǎn)品等就是實例。

RTOS對于開發(fā)單位和開發(fā)者個人來說也是一種提高。引入RTOS的開發(fā)單位，相當于引入了一套行業(yè)中廣泛采用的嵌入式系統(tǒng)應用程序開發(fā)標準，使開發(fā)管理更簡易、有效?；赗TOS和C語言的開發(fā)，具有良好的可繼承性，在應用程序、處理器升級以及更換處理器類型時，現(xiàn)存的軟件大部分可以不經(jīng)修改地移植過來。

對于開發(fā)人員來說，則相當于在程序設計中采用一種標準化的思維方式，提高知識創(chuàng)造的效率；同時因為具有類似的思路，可以更快地理解同行其它人員的創(chuàng)造成果。

4.RTOS產(chǎn)生并得到迅速發(fā)展的原因

單片機處理器能力的提高和應用程序功能的復雜化、精確化，迫使應用程序劃分為多個重要性不同的任務，在各任務間優(yōu)化地分配CPU時間和系統(tǒng)資源，同時還要保證實時性?？坑脩糇约壕帉懸粋€實現(xiàn)上述功能的內(nèi)核一般是不現(xiàn)實的，而這種需求又是普遍的。在這種形勢之下，由專業(yè)人員編寫的、滿足大多數(shù)用戶需要的高性能RTOS內(nèi)核就是一種必然結果了。

對程序實時性和可靠性要求的提高也是RTOS發(fā)展的一個原因。此外，單片機系統(tǒng)軟件開發(fā)日趨工程化，產(chǎn)品進入市場時間不斷縮短，也迫使管理人員尋找一種有利于程序繼承性、標準化、多人并行開發(fā)的管理方式。從長遠的意義上來講，RTOS的推廣能夠帶來嵌入式軟件工業(yè)更有效、更專業(yè)化的分工，減少社會重復勞動、提高勞動生產(chǎn)率。

5.RTOS的基本特征

(1)任務

任務(Task)是RTOS中最重要的操作對象，每個任務在RTOS的調(diào)用下由CPU分時執(zhí)行。激活的或當前任務是CPU正在執(zhí)行的任務，休眠的任務是在存儲器中保留其執(zhí)行的上下文背景、一旦切換為當前任務即可從上次執(zhí)行的末尾繼續(xù)執(zhí)行的任務。任務的調(diào)度目前主要有時間分片式(TimeSlicing)、輪流查詢式(Round-Robin)和優(yōu)先搶占式(Preemptive)三種,不同的RTOS可能支持其中的一種或幾種，其中優(yōu)先搶占式對實時性的支持最好。

(2)任務切換

RTOS管理下的系統(tǒng)CPU和系統(tǒng)資源的時間是同時分配給不同任務的，這樣看起來就象許多任務在同時執(zhí)行，但實際上每個時刻只有一個任務在執(zhí)行，也就是當前任務。任務的切換有兩種原因。當一個任務正常地結束操作時，它就把CPU控制權交給RTOS，RTOS則檢查任務隊列中的所有任務，判斷下面那個任務的優(yōu)先級最高，需要先執(zhí)行。另一種情況是在一個任務執(zhí)行時，一個優(yōu)先級更高的任務發(fā)生了中斷，這時RTOS就將當前任務的上下文保存起來，切換到中斷任務。RTOS經(jīng)常性地整理任務隊列，刪除結束的任務，增加新的要執(zhí)行任務，并將其按照優(yōu)先級從大到小的順序排列起來，這樣可以合理地在各個任務之間分配系統(tǒng)資源。

(3)消息和郵箱

消息(Message)和郵箱(Mailbox)是RTOS中任務之間數(shù)據(jù)傳遞的載體和渠道，一個任務可以有多個郵箱。通過郵箱，各個任務之間可以異步地傳遞信息，沒有占用CPU時間的查詢和等待。當RTOS包含片上總線接口驅動功能時，各個單片機之間的通信也通過郵箱的方式來進行，用戶并不需要了解更深的關于硬件的內(nèi)容。

(4)旗語

旗語(Semaphore)相當于一種標志(Flag)，通過預置,一個事件的發(fā)生可以改變旗語。一個任務可以通過監(jiān)測旗語的變化來決定其行動，在監(jiān)測旗語變化的時候不消耗CPU時間，旗語對任務的觸發(fā)是由RTOS來完成的。通過使用旗語，一個任務在等待事件變化的時候就可以不必不斷查詢，而把CPU時間出讓給其它任務。

(5)存儲區(qū)分配

RTOS對系統(tǒng)存儲區(qū)進行統(tǒng)一分配，分配的方式可以是動態(tài)的或靜態(tài)的，每個任務在需要存儲區(qū)時都要向RTOS內(nèi)核申請。RTOS通過使用存儲分配類核心對象管理數(shù)據(jù)存儲器，在動態(tài)分配時能夠防止存儲區(qū)的零碎化。

(6)中斷和資源管理

RTOS提供了一種通用的設計用于中斷管理，有效率而靈活，這樣可以實現(xiàn)最小的中斷潛伏時間和最大的中斷響應度。RTOS內(nèi)核中的資源對象類則實現(xiàn)了對系統(tǒng)實體資源或虛擬資源的獨占式訪問，一個任務可以取得對資源的唯一訪問權，其它任務在資源釋放以前無法訪問，這樣可以避免資源沖突。設計完善的RTOS具有檢查可能導致系統(tǒng)死鎖的資源調(diào)用設計。

上面是RTOS的基本特征。根據(jù)產(chǎn)品的不同，它可能還包含許多其它功能。

6.你的處理器是不是需要一套實時多任務操作系統(tǒng)?

RTOS是目前嵌入式系統(tǒng)領域的熱點之一，是流行的開發(fā)平臺，但它畢竟對于許多用戶來說還是昂貴的，還會大量改變用戶習慣的開發(fā)方式，因此在引入RTOS以前對必要性進行考察還是明智的。你可以思考下面的幾個問題：

(1)你的處理器控制的時間和方式和你預想的一樣嗎？

(2)你是否發(fā)現(xiàn)自己花費很多時間盤算怎樣使一段代碼在該執(zhí)行的時候執(zhí)行？

(3)你是否花費太多時間在中斷子程序上，知道主程序不可能順序地處理中斷事件，便試圖編出所有代碼來處理中斷事件？

(4)你是否發(fā)現(xiàn)自己在不斷地測試標志或調(diào)用測試標志的子程序，來判斷是否應當執(zhí)行一段子程序？

如果你對上面問題的回答有一個以上是肯定的話，那么就是到了需要一套實時多任務操作系統(tǒng)將你從編程的瑣碎中解脫出來的時候了。

8.目前有什么樣的RTOS？

當你在電子雜志上尋找RTOS的時候，可能會發(fā)現(xiàn)世界上研制RTOS產(chǎn)品的公司多得令你無所適從；但是仔細閱讀后會發(fā)現(xiàn)，它們的產(chǎn)品可能只覆蓋幾種處理器，而且是你所不熟悉的。目前產(chǎn)品比較全面的公司主要有美國的CMXCompany和EmbeddedSystemProducts(ESP),Inc.，它們對中國單片機工業(yè)流行的單片機，如8051，251，196/296