FreeRTOS操作系統(tǒng) 如何學(xué)習(xí)FreeRTOS操作系統(tǒng)?
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一、什么是FreeRTOS ?
在嵌入式領(lǐng)域中,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的資源,簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì),縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間,更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
在嵌入式領(lǐng)域,F(xiàn)reeRTOS是不多的同時(shí)具有實(shí)時(shí)性,開源性,可靠性,易用性,多平臺(tái)支持等特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)。目前,F(xiàn)reeRTOS已經(jīng)發(fā)展到支持包含X86,Xilinx,Altera等多達(dá)30種的硬件平臺(tái),其廣闊的應(yīng)用前景已經(jīng)越來越受到業(yè)內(nèi)人士的矚目。
FreeRTOS是一個(gè)迷你的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng),功能包括:任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時(shí)器、協(xié)程等,可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源),只有μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等少數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小RAM單片機(jī)上運(yùn)行。相對(duì)μC/OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng),F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng),具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn),可以方便地移植到各種單片機(jī)上運(yùn)行,其最新版本為10.3.1版。
作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng),F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括:任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等,可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法,每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級(jí),CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行。FreeRTOS內(nèi)核同時(shí)支持輪換調(diào)度算法,系統(tǒng)允許不同的任務(wù)使用相同的優(yōu)先級(jí),在沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒的情況下,同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)共享CPU的使用時(shí)間。
FreeRTOS的內(nèi)核可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核時(shí),處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能剝奪低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU使用權(quán),這樣可保證系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性的要求;當(dāng)FreeRTOS被設(shè)置為不可剝奪型內(nèi)核時(shí),處于就緒態(tài)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)只有等當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)主動(dòng)釋放CPU的使用權(quán)后才能獲得運(yùn)行,這樣可提高CPU的運(yùn)行效率。
二、為什么要學(xué)習(xí)RTOS?
作為基于ARM7、Cortex-M3硬件開發(fā)的嵌入式工程師,我一直反對(duì)使用RTOS。不僅因?yàn)椴磺‘?dāng)?shù)氖褂肦TOS會(huì)給項(xiàng)目帶來額外的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn),更重要的是我認(rèn)為絕大多數(shù)基于ARM7、Cortex-M3硬件的項(xiàng)目,還沒復(fù)雜到使用RTOS的地步,使用狀態(tài)機(jī)就足夠了。
對(duì)于現(xiàn)代的微處理器,特別是資源相對(duì)豐富ARM7、Cortex-M3硬件來說,RTOS占用的硬件資源已經(jīng)越來越可以忽略。所以在當(dāng)今環(huán)境下,我們無需擔(dān)心RTOS會(huì)拖累性能。相反,RTOS提供的事件驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)方式,使得RTOS只是在處理實(shí)際任務(wù)時(shí)才會(huì)運(yùn)行,這能夠更合理的利用CPU。在實(shí)際項(xiàng)目中,如果程序等待一個(gè)超時(shí)事件,傳統(tǒng)的無RTOS情況下,要么在原地一直等待而不能執(zhí)行其它任務(wù),要么使用復(fù)雜(相對(duì)RTOS提供的任務(wù)機(jī)制而言)的狀態(tài)機(jī)機(jī)制。如果使用RTOS,則可以很方便的將當(dāng)前任務(wù)阻塞在該事件下,然后自動(dòng)去執(zhí)行別的任務(wù),這顯然更方便,并且可以高效的利用CPU。
三、安全地連接、編程、部署和管理低功耗設(shè)備
FreeRTOS 支持傳輸層安全性 (TLS v1.2),可以幫助您的設(shè)備安全連接到 AWS。您還可以輕松將常用的 IoT 功能編程到設(shè)備中,其中包括使用 Wi-Fi 或以太網(wǎng)等常見連接選項(xiàng)來幫助將設(shè)備配置到本地網(wǎng)絡(luò)的軟件庫(kù),或者使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)連接到移動(dòng)設(shè)備。FreeRTOS 還提供了一個(gè)無線 (OTA) 更新庫(kù),通過增強(qiáng)功能或安全補(bǔ)丁來遠(yuǎn)程更新設(shè)備。它還具備代碼簽名功能,可以確保您的設(shè)備代碼在部署和 OTA 更新過程中不會(huì)泄露。
四、幾點(diǎn)初學(xué)者建議
第一點(diǎn):初學(xué)者學(xué)習(xí)操作系統(tǒng),那必須是先學(xué)習(xí)內(nèi)核,學(xué)習(xí)內(nèi)核處理的思想,跳出裸機(jī)處理的思想,那么選擇的內(nèi)核必然是由簡(jiǎn)單到深入。
第二點(diǎn):學(xué)習(xí)內(nèi)核的話,文檔說明必須要豐富,目前有很多書是寫ucos跟FreeRTOS的,很多人都覺得這兩個(gè)rtos非常好,那人家做了那么多年,確實(shí)也是非常好的啦,ucos上過火星;FreeRTOS開源免費(fèi),是全球最多人使用的rtos,我肯定不否認(rèn)這些不好啦。但是我還是推薦國(guó)內(nèi)的。ucos實(shí)現(xiàn)太臃腫,安全做的非常好,很多情況都考慮了,但是作為初學(xué)者,你會(huì)有那么多情況產(chǎn)生嗎,肯定不會(huì)的,沒必要學(xué)。FreeRTOS實(shí)現(xiàn)幾乎都是通過宏定義提供給開發(fā)者,實(shí)現(xiàn)過程也是很直觀明了,但是內(nèi)核代碼行數(shù)還是太多了,我不推薦(即使我的第一個(gè)rtos也是學(xué)習(xí)FreeRTOS)。
第三點(diǎn):目前rt-thread的書籍與例程非常豐富了,比如野火的《rt-thread內(nèi)核實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南》,比如rt-thread官方出版的《RT-Thread編程指南》,都是很不錯(cuò)的資料。而TencentOS tiny資料較少,說不定我能給它整一個(gè)全網(wǎng)首發(fā)TencentOS tiny內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的系列文章
第四點(diǎn):關(guān)于rtos內(nèi)核,真的是一通百通的!!!各種ICP通信的同步、互斥、阻塞機(jī)制,真的是一樣的處理思想,大同小異的實(shí)現(xiàn)過程,相信我。
五、工業(yè)應(yīng)用程序
工業(yè)客戶利用基于微控制器的設(shè)備,這些設(shè)備會(huì)生成關(guān)于業(yè)務(wù)關(guān)鍵型工作負(fù)載的數(shù)據(jù)。工業(yè)傳感器、致動(dòng)器、泵和自動(dòng)化組件均使用微控制器,因?yàn)樗鼈兂杀镜汀⒐牡?,并且可以?zhí)行實(shí)時(shí)操作。例如,石油鉆塔上的單個(gè)泵由微控制器控制,如果出現(xiàn)故障,則可能會(huì)完全關(guān)閉。借助 FreeRTOS,這些客戶可以通過直接連接到云來收集系統(tǒng)性能和壓力方面的數(shù)據(jù),并通過 AWS IoT Greengrass 在本地實(shí)時(shí)采取關(guān)鍵措施來防止出現(xiàn)此類破壞性中斷。
FreeRTOS 可以幫助電器、可穿戴技術(shù)或智能照明制造商等消費(fèi)產(chǎn)品公司針對(duì)各種產(chǎn)品和型號(hào),將基于微控制器的設(shè)備開發(fā)、交付和維護(hù)過程標(biāo)準(zhǔn)化。FreeRTOS 提供單個(gè)微控制器操作系統(tǒng),它可以支持具有不同功率和容量的各種微控制器硬件。這樣,這些公司便可以專注于產(chǎn)品創(chuàng)新,無需面對(duì)跨多個(gè)產(chǎn)品線開發(fā)軟件的復(fù)雜性。此外,通過 OTA 更新功能,F(xiàn)reeRTOS 還能安全更新使用中的現(xiàn)有消費(fèi)產(chǎn)品的功能。
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