文章將介紹實時操作系統RTOS，分析為什么在嵌入式系統中使用它。

什么是實時操作系統

操作系統的定義：

一個計算機系統可以大致分為四個部分：硬件（Hardware），操作系統（operating system），應用程序（application programs），使用者（user）。

硬件包含了CPU，存儲空間，輸入輸出設備等為整個系統提供了基礎的計算資源。

操作系統是一個控制程序，作為硬件和應用程序之間的橋梁，主要是和硬件打交道，負責協調分配計算資源和內存資源給不同的應用程序使用，并防止系統出現故障。面對來自不同應用程序的大量且互相競爭的資源請求，操作系統通過一個調度算法和內存管理算法盡可能把資源公平，有效率地分配給不同的程序。

應用程序則通過調用操作系統提供的API接口獲得相應資源完成指定的任務。

一個通用操作系統提供的主要功能有（可見下圖藍色的部分）：

任務（應用程序）的調度管理

堆棧和內存管理

文件管理

隊列管理

中斷和定時器管理

資源管理

輸入輸出管理

值得注意的是，操作系統自身需要占用一定的計算資源和內存資源，對于片上資源有限的單片機，可能需要根據需求剪裁操作系統的大小和功能。

實時性的含義

實時操作系統（RTOS-Real Time Operating System）中實時（Real Time）指的是任務（Task）或者說實現一個功能的線程（Thread）必須在給定的時間（Deadline）內完成。

業界總有種誤解認為如果能堆砌更多的處理器核心數目，更高的處理器頻率，更大的內存，更快的總線速度系統就能一定達到實時性的表現。但是強大的計算能力并不能保證系統的實時性。

舉一個簡單例子比如汽車中的安全氣囊，在傳感器檢測到汽車發生碰撞后，安全氣囊需要在30ms內完全打開，不然司機和乘客的人身安全將受到極大的威脅。即使車載ECU有很強大的計算能力，但是如果因為要執行其他復雜計算任務或者任務調度的問題導致對汽車狀態的監測和安全氣囊的響應時間超過規定的時間，實時性無法得到保障導致系統失效和人員傷亡，這將會是非常嚴重的系統問題。

再舉個例子比如特斯拉的車載系統：車機系統采用的是Linux系統，而汽車的驅動模塊和剎車模塊使用的是各自獨自的系統。整個娛樂系統，觸摸屏以及智能駕駛系統，都與汽車的驅動完全分開，確保了系統的實時性。

一些其它的實時任務包括導彈的制導，無人駕駛等。為了保障這些實時任務能在給定的時間內完成，需要一個實時系統對這些任務進行調度和管理。一個實時操作系統能盡力保障每個任務能在一個已知的最大運行時間（Maximum Response Time）內完成，包括：

對中斷和內部異常的處理

對安全相關的事件的處理

任務調度機制等

當然系統的穩定性不能僅僅依靠實時操作系統，安全功能（fail-safe function）相關的設計也是必須要考慮到的。在Netflix的紀錄片《一落千丈：波音大調查》中就提到，導致兩起波音最新機型737 Max的失事事故的直接原因在于當飛機的迎角傳感器發生故障，機上裝載的機動特性增強系統（MCAS）誤認為飛機處于失速狀態，無視飛行員的操縱強制自動接管飛機，持續壓機頭導致了慘劇的發生。可見縱使波音的飛控系統非常穩定，但如果對傳感器的數值判定和使用不當并缺少安全性冗余設計，系統的整體穩定性依然無法得到保障。

操作系統的種類

目前比較流行的實時操作系統包括黑莓QNX，FreeRTOS，uCOS，RT-Thread等。在上圖中可以看出，除了Linux和Windows通用操作系統外，接下來便是FreeRTOS受到廣大開發者的青睞。圖表中也羅列了一些國產的系統。比如騰訊發布和開源的TencentOS tiny，這是一個面向物聯網的實時操作系統。華為也推出了鴻蒙LiteOS， 萬物互聯未來可期。和實時操作系統（Real Time Operating System）相對應的是通用操作系統（General Purpose Operating System）。

通用操作系統包括Linux，Windows，MAC等主流的操作系統。這些操作系統大家每天都在使用，功能也十分強大，只是它們有時為了保障系統的流暢運行，就不能保證每個程序都能實時響應，在易用性和實時性之間有所取舍。而且單片機有限的片上資源也不足以支撐通用操作系統的運行。

正所謂術業有專攻，在嵌入式領域中，嵌入式實時操作系統（RTOS）可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應用軟件的設計，縮短系統開發時間，從而更好地保證系統的實時性和可靠性。

FreeRTOS的介紹

FreeRTOS 是一個迷你的實時操作系統內核。作為一個輕量級的操作系統，功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能、軟件定時器、協程等，可基本滿足較小系統的需要。由于RTOS需占用一定的系統資源（尤其是RAM資源），只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數實時操作系統能在小RAM單片機上運行。相對μC/OS-II、embOS等商業操作系統，FreeRTOS操作系統是完全免費的操作系統，具有源碼公開、可移植、可裁減、調度策略靈活的特點，可以方便地移植到各種單片機上運行。

FreeRTOS的官網地址：https://www.freertos.org/

官網上會有關于FreeRTOS的最新新聞和技術文檔，如果大家吃透了FreeRTOS的技術文檔的話，其實也就不需要讀文章了哈哈。

FreeRTOS的特性

具有搶占式或者合作式的實時操作系統內核

功能可裁剪，最小占用10kB左右rom空間，0.5kB ram空間

具有低功耗模式

有互斥鎖、信號量、消息隊列等功能

運行過程可追蹤

STM32CubelDE

STM32CubeIDE 是一個多功能的集成開發工具，集成了TrueSTUDIO和STM32CubeMX，它是STM32Cube軟件生態系統的一部分。STM32CubeIDE是一個先進的C/C++開發平臺，具有STM32微控制器的IP配置，代碼生成，代碼編譯和調試功能。

相對而言對使用STM32平臺的童鞋們來說使用FreeRTOS非常方便和強大，因為它被集成到了STM32的開發環境當中。

如上圖所示，強烈安利使用STM32CubeIDE進行STM32平臺項目的開發。通過舉手之間的配置，FreeRTOS就被部署到了項目中去。在項目結構中中間件（Middlewares）你可以看到FreeRTOS這個文件。同時FreeRTOS的參數設置，添加刪除任務，定時器，消息隊列等都可以通過下面的圖形化界面進行配置，之后文章會詳細介紹。

標準庫和HAL庫

還有一點要說明的事情，STM的開發包括寄存器開發，標準庫文件開發，還有HAL庫開發三種開發方式。市面上很多應用教程都是針對標準庫設計的。本系列教程將統一采用HAL（Hardware Abstraction Layer）庫，這是一個痛苦的選擇，但是因為意法半導體（ST）已經停止對標準庫文件的維護和開發，為了與時俱和移植性便利性選擇了HAL庫。HAL庫的原理和標準庫大同小異，所以學起來其實并不會太累，只是需要跳離舒適區慢慢適應。

審核編輯 ：李倩