嵌入式实时操作系统（RT-Thread、FreeRTOS、UCOSIII）

实时操作系统（RT-Thread、FreeRTOS、UCOSIII）

文章目录

• `实时操作系统（RT-Thread、FreeRTOS、UCOSIII）`
• • `专有名词概念`
  • • `1、什么是嵌入式`
    • • `嵌入式系统的特点`
    • `2、什么是实时`
    • `3、什么是操作系统`
    • • `操作系统主要功能和特性`
      • `常见的操作系统类型包括`
    • `4、嵌入式实时操作系统`
    • • `关键特点和功能`
      • `常见的RTOS`
  • `FreeRTOS`
  • • `特性及流行`
  • `RT-Thread`
  • • `特性及流行`
  • `UCOS`
  • • `特性及流行`
  • `FreeRTOS、Thread和UCOS`
  • • `组件支持`
    • `OS内核比较`
    • `应用场景`
    • `常见API`
    • • `PS：让出处理器`
• `如果对你有帮助，就点赞收藏吧！(｡･ω･｡)ﾉ♡`

专有名词概念

1、什么是嵌入式

嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定任务的计算机系统
被设计成执行一个或几个特定的任务
通常被嵌入到其他设备或系统中的硬件和软件组合中，作为更大系统的一部分
它们不同于通用计算机，如个人电脑，后者可以运行各种各样的应用程序。

嵌入式系统的特点

1. 专用性
   • 嵌入式系统针对特定应用或任务进行设计，这意味着它们不是通用的计算平台
   • 例如，一个嵌入式系统可能专门用于监控工厂生产线的运行状态，而另一个可能专门用于飞行器导航
2. 实时性
   • 实时性要求嵌入式系统能够在确定的时间限制内处理和响应外部事件
   • 硬实时系统必须保证在规定的时间内完成任务，否则可能会造成严重的后果
   • 如自动驾驶汽车的安全控制系统。
3. 可靠性
   • 嵌入式系统往往需要在各种恶劣条件下稳定运行，包括极端的温度、湿度、振动和电磁干扰等
   • 在特定环境下的关键作用，嵌入式系统需要很高的稳定性和可靠性，以减少故障和停机时间
4. 资源受限
   • 嵌入式系统通常受到成本、尺寸、重量和功耗的限制
   • 因此它们必须高效地使用有限的计算资源、内存和存储空间。
   • 这要求开发者优化软件和硬件以适应这些限制。
5. 实时约束
   • 实时约束是指嵌入式系统在设计时必须遵守的一系列时间限制。
   • 这些限制可能包括任务的执行时间、系统的响应时间、数据处理的延迟等。
   • 违反这些约束可能导致系统性能下降或功能失效。
6. 封闭性
   • 嵌入式系统通常是不可编程的，或者编程接口不对外开放，用户通常不直接与嵌入式系统交互

2、什么是实时

实时（Real-time）是指系统或组件在 特定的时间 限制内对外部事件 做出响应 的能力。
在实时系统中，正确响应的时间约束是至关重要的

响应时间
- 实时系统必须在规定的时间限制内处理输入并产生输出。
- 这个时间限制可以是固定的，也可以是可变的，但无论如何，它必须是可预测的。

硬实时（Hard real-time）
- 系统必须绝对保证在规定的截止时间内完成所有任务。
- 任何超出截止时间的任务完成都会被认为是系统失败，可能导致严重后果
- 如飞机导航系统或医疗监控系统。

软实时（Soft real-time）
- 虽然也有时间限制，但偶尔的超时不会导致系统失败，只会影响系统的服务质量
- 如视频流服务或在线游戏。

3、什么是操作系统

操作系统（Operating System，简称OS）是一种系统软件
操作系统管理计算机硬件和软件资源，并为计算机用户提供交互界面
是计算机系统的 核心组件 ，负责 协调和控制计算机系统的所有操作

操作系统主要功能和特性

1. 资源管理
   操作系统负责分配和调度计算机的硬件资源，以确保高效和公平的使用。
   如处理器时间、内存空间、输入/输出设备等
2. 进程管理
   操作系统管理进程的创建、执行、暂停和终止，以及进程之间的通信和同步
3. 内存管理
   操作系统管理主存储器（RAM）
   包括内存的分配、回收和保护，以及虚拟内存的实现
4. 文件系统管理
   操作系统提供文件和目录的管理
   包括存储、检索、更新和删除文件的能力。
5. 设备管理
   操作系统通过设备驱动程序管理各种硬件设备
   如硬盘、打印机、网络适配器等。
6. 用户接口
   操作系统提供用户接口，以便用户能够与计算机系统交互
   如命令行界面（CLI）或图形用户界面（GUI）
7. 安全性和保护
   操作系统确保系统的安全性，防止未授权访问和数据泄露，并提供用户和数据的安全保护机制。

常见的操作系统类型包括

• 桌面操作系统：如Microsoft Windows、macOS、Linux发行版。
• 服务器操作系统：如Windows Server、Linux服务器发行版、Unix。
• 移动操作系统：如Android、iOS。
• 嵌入式操作系统：如RTOS（实时操作系统）、嵌入式Linux。
• 实时操作系统：用于需要精确时间响应的系统和设备。

4、嵌入式实时操作系统

嵌入式实时操作系统（Real-Time Operating System for Embedded Systems，简称RTOS）
一种专门为嵌入式系统设计的操作系统
具备 实时处理 能力，能够在 特定的时间完成特定的任务，确保实时性和可靠性。

关键特点和功能

1. 实时性：RTOS的最核心特性是实时性，能够在确定的时间内响应外部事件和内部任务
   • 硬实时：任务必须在严格的截止时间内完成，任何超时都可能造成系统失败或不可接受的结果。
   • 软实时：虽然也有时间限制，但偶尔的超时不会导致灾难性后果。
2. 任务调度：RTOS通常采用 优先级为基础的抢占式调度算法 ，确保高优先级任务能够及时执行。
3. 确定性：RTOS的行为和性能是 可预测的 ，这意味着系统的响应时间和任务执行时间是可以预知的。
4. 资源管理：RTOS高效地管理CPU时间、内存和其他硬件资源，以 *支持多个并发任务 *。
5. 小型化和优化：RTOS通常 针对特定的硬件平台进行优化 ，以减少内存占用和提高执行效率。
6. 模块化和可配置性：RTOS通常设计为模块化，允许开发者按需选择和配置系统组件。
7. 可靠性：RTOS注重系统的 稳定性和可靠性 ，以适应在 多种环境 下的 长期 运行需求。

常见的RTOS

1. FreeRTOS：一个流行的开源RTOS，广泛用于微控制器和小型嵌入式系统。
2. RT-Thread：一个开源、中立的RTOS，由中国的软件开发者社区维护，适用于资源丰富的嵌入式设备。
3. uc/OS（μC/OS）：由Micrium（现属于Silicon Labs）开发，适用于微控制器和嵌入式应用。
4. uc/OS-III：μC/OS的第三个版本，提供更多功能和改进。
5. ThreadX：由Microsoft Azure Sphere支持，适用于深度嵌入式应用。
6. FreeRTOS+：FreeRTOS的扩展版本，提供额外的中间件和功能。
7. Amazon FreeRTOS：基于FreeRTOS，加入了云连接和安全功能。
8. VxWorks：由Wind River Systems开发，用于高性能、硬实时的应用，如航空航天和军事领域。
9. QNX：由BlackBerry Limited开发，主要应用于汽车和工业控制系统。
10. RTLinux：基于Linux的硬实时操作系统，适用于需要Linux功能和硬实时性能的场合。
11. Windows Embedded Compact（原名Windows CE）：微软提供的嵌入式RTOS，适用于各种嵌入式设备。
12. eCos（Embedded Configurable Operating System）：一个开源的RTOS，可以根据需求进行配置。
13. VRTX：由 Mentor Graphics（现属于Siemens）开发，用于高可靠性要求的嵌入式系统。
14. Nucleus RTOS：由 Mentor Graphics（现属于Siemens）提供，用于各种嵌入式系统。
15. OSE（Operating System Embedded）：由Enea AB开发，适用于网络和通信设备。
16. Integrity：由Green Hills Software开发，提供一个安全的实时操作系统环境。

FreeRTOS

FreeRTOS是目前嵌入式开发者最广泛使用的RTOS之一
FreeRTOS是一个轻量级、开源的实时操作系统（RTOS）
广泛用于嵌入式系统和微控制器，提供任务调度、通信机制和定时器等核心功能，支持多种处理器架构
因其易用性、可移植性和免费特性而深受开发者喜爱。

特性及流行

包括 意法半导体公司 的软件 S T M 32 C U B E I D E STM32CUBEIDE STM32CUBEIDE 使用的也是 F R E E R T O S FREERTOS FREERTOS
可见其流行程度之高

RT-Thread

RT-Thread在嵌入式系统领域的十分流行，国内外众多嵌入式开发者的首选RTOS之一。
RT-Thread 是一款完全由国内团队开发维护的集实时操作系统（RTOS）内核，文件系统、网络框架、设备框架等较为完整的中间件组件，具备低功耗、安全、通信协议支持和云端连接等能力的物联网操作系统，具有完全的自主知识产权。

特性及流行

RT-Thread因顺应物联网兴起、支持中国制造2025、顺应开源趋势、兼容RISC-V架构、满足实时系统需求增长及强调安全性，成功赶上了时代发展，成为中国嵌入式系统开发的重要RTOS选项。

UCOS

UCOS（uC/OS）是一款由Micrium公司开发的商业实时操作系统，专为微控制器和嵌入式系统设计。
μC/OS 最初是开源的，后发展为商业产品 ， 提供商业支持 ，是一款商业实时操作系统（RTOS）
提供了多任务调度、内存管理、中断管理、定时器、以及一系列的设备驱动和中间件支持。
UCOS 高效的性能、可预测的实时处理能力 和 易于移植性 受人青睐
适用于多种嵌入式应用，如工业控制、航空电子和医疗设备等。
随着版本的迭代，如uCOS-III，提供增强的功能和改进，适应不断发展的嵌入式系统需求。

特性及流行

FreeRTOS、Thread和UCOS

组件支持

×：表示原生不支持，部分可通过三方实现
√：表示原生支持，支持部分

OS内核比较

√：表示有
×：表示无

轮转调度：√（相同优先级线程时间片轮转调度），×（不允许相同优先级任务存在）

另外还有可扩展性，社区和生态

应用场景

RT-Thread、uC/OS-II和FreeRTOS都是流行的实时操作系统（RTOS），它们各自有不同的特点和优势，适用于不同的应用场景。

常见API

PS：让出处理器

让出处理器（Yield the processor）是指在多任务操作系统中，一个正在运行的任务主动或被动地放弃处理器控制权，使得其他任务有机会运行。

1. 主动让出
   任务在执行一段时间后，或者在等待某个事件（如I/O操作完成、定时器到期等）时
   会主动调用让出处理器的指令，将控制权交给操作系统，以便其他任务可以运行。

2. 被动让出
   当正在运行的任务遇到了阻塞条件
   如等待资源时，它会自动放弃处理器，让其他任务有机会运行。

在操作系统中，让出处理器是通过任务调度器来实现的，它负责在多个任务之间进行切换，以模拟并发执行的效果。
在某些实时操作系统中，让出处理器的策略对于保证实时任务的截止期限至关重要。
例如，在硬实时系统中，如果一个任务在截止日期前无法完成，它可能会主动让出处理器，以确保其他任务能够及时运行。

┈┈┈┈▕▔╲┈┈┈┈┈┈┈ ┈┈┈┈▕▔╲┈┈┈┈┈┈┈ ┈┈┈┈▕▔╲┈┈┈┈┈┈┈┈
┈┈┈┈┈▏▕┈┈┈┈┈┈┈ ┈┈┈┈┈▏▕┈┈┈┈┈┈┈ ┈┈┈┈┈▏▕┈┈┈┈┈┈┈ ┈
┈┈┈┈┈▏ ▕▂▂▂▂▂┈┈┈┈┈┈┈▏ ▕▂▂▂▂▂┈┈┈┈┈┈┈▏ ▕▂▂▂▂▂┈┈┈
▂▂▂▂╱┈┈▕▂▂▂▂▏┈ ▂▂▂▂╱┈┈▕▂▂▂▂▏┈ ▂▂▂▂╱┈┈▕▂▂▂▂▏┈┈
▉▉▉┈┈┈┈▕▂▂▂▂▏ ┈ ▉▉▉┈┈┈┈▕▂▂▂▂▏ ┈ ▉▉▉┈┈┈┈▕▂▂▂▂▏ ┈
▉▉▉┈┈┈┈▕▂▂▂▂▏ ┈ ▉▉▉┈┈┈┈▕▂▂▂▂▏ ┈ ▉▉▉┈┈┈┈▕▂▂▂▂▏ ┈
▔▔▔▔╲▂▂▕▂▂▂▂▏┈ ▔▔▔▔╲▂▂▕▂▂▂▂▏┈ ▔▔▔▔╲▂▂▕▂▂▂▂▏┈┈

如果对你有帮助，就点赞收藏吧！(｡･ω･｡)ﾉ♡