裸機(jī)系統(tǒng)與多線程系統(tǒng)的區(qū)別

編輯整理：ZhengN

素材來源：RT-Thread書籍

很多初學(xué)者都是從裸機(jī)開始學(xué)起，不能明白裸機(jī)和操作系統(tǒng)的區(qū)別。甚至有不少人認(rèn)為用中斷就能代替多任務(wù)處理，你認(rèn)同嗎？

裸機(jī)系統(tǒng)通常分成輪詢系統(tǒng)和前后臺系統(tǒng)。

1、輪詢系統(tǒng)

輪詢系統(tǒng)即是在裸機(jī)編程的時候，先初始化好相關(guān)的硬件，然后讓主程序在一個死循環(huán)里面不斷循環(huán)，順序地做各種事情，大概的偽代碼具體如代碼清單 1-1所示：

int main(void)
{
 ?/* 硬件相關(guān)初始化 */
 ?HardWareInit();

 ?/* 無限循環(huán) */
 ?for (;;) {
 ? ?/* 處理事情 1 */
 ? ?DoSomething1();

 ? ?/* 處理事情 2 */
 ? ?DoSomethingg2();

 ? ?/* 處理事情 3 */
 ? ?DoSomethingg3();
 ?}
}

輪詢系統(tǒng)是一種非常簡單的軟件結(jié)構(gòu)，通常只適用于那些只需要順序執(zhí)行代碼且不需要外部事件來驅(qū)動的就能完成的事情。在代碼清單 1-1 中，如果只是實(shí)現(xiàn) LED 翻轉(zhuǎn)，串口輸出，液晶顯示等這些操作，那么使用輪詢系統(tǒng)將會非常完美。但是，如果加入了按鍵操作等需要檢測外部信號的事件，用來模擬緊急報(bào)警，那么整個系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)能力就不會那么好了。

假設(shè)DoSomethingg3 是按鍵掃描，當(dāng)外部按鍵被按下，相當(dāng)于一個警報(bào)，這個時候，需要立馬響 應(yīng) ， 并 做 緊 急 處 理 ， 而 這 個 時 候 程 序 剛 好 執(zhí) 行 到 DoSomethingg1 ， 要 命 的 是DoSomethingg1 需要執(zhí)行的時間比較久，久到按鍵釋放之后都沒有執(zhí)行完畢，那么當(dāng)執(zhí)行到 DoSomethingg3 的時候就會丟失掉一次事件。足見，輪詢系統(tǒng)只適合順序執(zhí)行的功能代碼，當(dāng)有外部事件驅(qū)動時，實(shí)時性就會降低。

2、前后臺系統(tǒng)

相比輪詢系統(tǒng)，前后臺系統(tǒng)是在輪詢系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了中斷。外部事件的響應(yīng)在中斷里面完成，事件的處理還是回到輪詢系統(tǒng)中完成，中斷在這里我們稱為前臺， main 函數(shù)里面的無限循環(huán)我們稱為后臺，大概的偽代碼見代碼清單 1-2所示：

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)
{
 ?/* 硬件相關(guān)初始化 */
 ?HardWareInit();

 ?/* 無限循環(huán) */
 ?for (;;) {
 ? ?if (flag1) {
 ? ? ?/* 處理事情 1 */
 ? ? ?DoSomething1();
 ? ?}

 ? ?if (flag2) {
 ? ? ?/* 處理事情 2 */
 ? ? ?DoSomethingg2();
 ? ?}

 ? ?if (flag3) {
 ? ? ?/* 處理事情 3 */
 ? ? ?DoSomethingg3();
 ? ?}
 ?}
}

void ISR1(void)
{
 ?/* 置位標(biāo)志位 */
 ?flag1 = 1;
 ?/* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
 ?如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */
 ?DoSomething1();
}

void ISR2(void)
{
 ?/* 置位標(biāo)志位 */
 ?flag2 = 2;

 ?/* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
 ?如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */
 ?DoSomething2();
}

void ISR3(void)
{
 ?/* 置位標(biāo)志位 */
 ?flag3 = 1;
 ?/* 如果事件處理時間很短，則在中斷里面處理
 ?如果事件處理時間比較長，在回到后臺處理 */
 ?DoSomething3();
}

在順序執(zhí)行后臺程序的時候，如果有中斷來臨，那么中斷會打斷后臺程序的正常執(zhí)行流，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序里面標(biāo)記事件，如果事件要處理的事情很簡短，則可在中斷服務(wù)程序里面處理，如果事件要處理的事情比較多，則返回到后臺程序里面處理。

雖然事件的響應(yīng)和處理是分開了，但是事件的處理還是在后臺里面順序執(zhí)行的，但相比輪詢系統(tǒng)，前后臺系統(tǒng)確保了事件不會丟失，再加上中斷具有可嵌套的功能，這可以大大的提高程序的實(shí)時響應(yīng)能力。在大多數(shù)的中小型項(xiàng)目中，前后臺系統(tǒng)運(yùn)用的好，堪稱有操作系統(tǒng)的效果。

相比前后臺系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的事件響應(yīng)也是在中斷中完成的，但是事件的處理是在線程中完成的。在多線程系統(tǒng)中，線程跟中斷一樣，也具有優(yōu)先級，優(yōu)先級高的線程會被優(yōu)先執(zhí)行。

當(dāng)一個緊急的事件在中斷被標(biāo)記之后，如果事件對應(yīng)的線程的優(yōu)先級足夠高，就會立馬得到響應(yīng)。相比前后臺系統(tǒng)，多線程系統(tǒng)的實(shí)時性又被提高了。多線程系統(tǒng)大概的偽代碼具體見代碼清單 1-3所示：

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)
{
 ?/* 硬件相關(guān)初始化 */
 ?HardWareInit();

 ?/* OS 初始化 */
 ?RTOSInit();

 ?/* OS 啟動，開始多線程調(diào)度，不再返回 */
 ?RTOSStart();
}

void ISR1(void)
{
 ?/* 置位標(biāo)志位 */
 ?flag1 = 1;
}

void ISR2(void)
{
 ?/* 置位標(biāo)志位 */
 ?flag2 = 2;
}

void ISR3(void)
{
 ?/* 置位標(biāo)志位 */
 ?flag3 = 1;
}

void DoSomething1(void)
{
 ?/* 無限循環(huán)，不能返回 */
 ?for (;;) {
 ? ?/* 線程實(shí)體 */
 ? ?if (flag1) {

 ? ?}
 ?}
}

void DoSomething2(void)
{
 ?/* 無限循環(huán)，不能返回 */
 ?for (;;) {
 ? ?/* 線程實(shí)體 */
 ? ?if (flag2) {

 ? ?}
 ?}
}

void DoSomething3(void)
{
 ?/* 無限循環(huán)，不能返回 */
 ?for (;;) {
 ? ?/* 線程實(shí)體 */
 ? ?if (flag3) {

 ? ?}
 ?}
}

相比前后臺系統(tǒng)中后臺順序執(zhí)行的程序主體，在多線程系統(tǒng)中，根據(jù)程序的功能，我們把這個程序主體分割成一個個獨(dú)立的，無限循環(huán)且不能返回的小程序，這個小程序我們稱之為線程。

每個線程都是獨(dú)立的，互不干擾的，且具備自身的優(yōu)先級，它由操作系統(tǒng)調(diào)度管理。加入操作系統(tǒng)后，我們在編程的時候不需要精心地去設(shè)計(jì)程序的執(zhí)行流，不用擔(dān)心每個功能模塊之間是否存在干擾。

加入了操作系統(tǒng)，我們的編程反而變得簡單了。整個系統(tǒng)隨之帶來的額外開銷就是操作系統(tǒng)占據(jù)的那一丁點(diǎn)的 FLASH 和 RAM?，F(xiàn)如今，單片機(jī)的 FLASH 和 RAM 是越來越大，完全足以抵擋 RTOS 那點(diǎn)開銷。

輪詢、前后臺和多線程系統(tǒng)軟件模型區(qū)別：

以上是關(guān)于裸機(jī)系統(tǒng)與多線程系統(tǒng)的筆記，摘抄于《RT-Thread內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐指南》一書。

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