什么是RTOS？

嵌入式系統(tǒng)中的實時操作系統(tǒng)

在RTOS中可以期待什么？

RTOS最佳實踐

如何選擇嵌入式RTOS

PX5 RTOS如何幫助您？

第三節(jié) 在RTOS中可以期待什么？

RTOS使用各種機制來管理任務(wù)、事件和內(nèi)存，以確保嵌入式系統(tǒng)滿足時間約束。在本節(jié)中，您將了解構(gòu)建嵌入式應(yīng)用程序時需要考慮的RTOS功能，例如確定性、空間和時間分離、調(diào)度、內(nèi)存管理和進程間通信。

RTOS確定性

保證任務(wù)在指定時間內(nèi)運行的RTOS稱為確定性的RTOS。按照RTOS的設(shè)計目標(biāo)，即使有意外輸入，也可以保證確定性。PX5 RTOS是一個確定性RTOS的示例，具有亞微秒上下文切換和API調(diào)用。

空間與時間分離

空間分離或空間隔離是指在安排在自己的私有內(nèi)存空間中運行的任務(wù)。時間分離確保任務(wù)在自己的時間內(nèi)獨立運行。這些技術(shù)通過防止兩個或多個任務(wù)同時訪問同一內(nèi)存空間來保護內(nèi)存和其他資源。

RTOS調(diào)度

RTOS采用調(diào)度算法來確定任務(wù)在處理單元上運行的順序，從而確保它們滿足時間限制。實時系統(tǒng)中并發(fā)的基本單位是線程，RTOS調(diào)度程序使用三個參數(shù)來調(diào)度線程：

? 優(yōu)先級。線程被分配一個優(yōu)先級，調(diào)度程序確保在必要時優(yōu)先級較高的線程搶占優(yōu)先級較低的任務(wù)。這樣一來，關(guān)鍵任務(wù)（例如汽車的油門控制）就可以運行，而不會被不太重要的任務(wù)（例如數(shù)據(jù)記錄）延遲。

? 截止時間。有兩種類型的截止時間。絕對截止時間是作業(yè)必須完成的確切時間。相對截止時間是給定輸入時間后允許的最大完成時間。

? 狀態(tài)。線程要么處在就緒（可在處理資源上執(zhí)行），要么正在運行（正在執(zhí)行），要么被阻止（等待事件，例如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)）的狀態(tài)下。

任務(wù)的時間片調(diào)度 來自：《嵌入式實時操作系統(tǒng)—理論基礎(chǔ)》圖2.4

搶占式RTOS和協(xié)作式RTOS

搶占式和協(xié)作式多任務(wù)處理是RTOS用于同時執(zhí)行多個任務(wù)或進程的兩種方法。搶占式RTOS允許當(dāng)前正在運行的任務(wù)停止執(zhí)行，同時RTOS將CPU分配給另一個進程。在協(xié)作式多任務(wù)處理中，只有任務(wù)本身可以將控制權(quán)移交給另一個任務(wù)，例如當(dāng)它完成其工作或被阻止時。

RTOS內(nèi)存管理

RTOS將物理內(nèi)存劃分為不同的部分，例如堆棧和堆。堆棧存儲函數(shù)的調(diào)用信息及其局部變量，這需要仔細(xì)管理以避免內(nèi)存越界錯誤。堆分配動態(tài)內(nèi)存，用于應(yīng)用程序各部分之間的全局信息和數(shù)據(jù)共享。

為了有效地管理內(nèi)存，RTOS使用諸如首次適應(yīng)和最佳適應(yīng)等技術(shù)來分配段而不覆蓋其他段。

內(nèi)存使用的問題，來自：《嵌入式實時操作系統(tǒng)—理論基礎(chǔ)》圖13.6

進程間通信(IPC)

進程間通信是RTOS允許進程相互同步和通信的機制。IPC有兩個常見方法：在進程之間傳遞消息和在進程之間共享內(nèi)存。

RTOS的三種常見通信類型是：

? RTOS隊列：內(nèi)存中的先進先出(FIFO)緩沖區(qū)，支持在任務(wù)之間傳遞消息。

? RTOS信號量：任務(wù)之間的信號，不包含數(shù)據(jù)，用于觸發(fā)接收任務(wù)的操作。

? RTOS互斥鎖：用于保護代碼關(guān)鍵部分的標(biāo)志，一次只允許一個線程訪問它。

《嵌入式實時操作系統(tǒng)—理論基礎(chǔ)》Jim Cooling 博士著 何小慶、何靈淵、張愛華翻譯，清華大學(xué)出版社出版各大電商有售；歡迎大家選購。

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