转：第2章嵌入式实时操作系统介绍

STM32

本章教程为大家介绍嵌入式实时操作系统的基础知识、当前流行的小型嵌入式系统、STM32嵌入式实时操作系统解决方案以及基于时间触发的嵌入式系统。
2.1    嵌入式系统介绍
2.2    基于时间触发的嵌入式系统
2.3    总结

2.1 嵌入式系统介绍

一般嵌入式系统方面的书籍开头部分都会做很多概念性的介绍。关于概念性的东西，初学者非常有必要有个了解。这里为大家推荐两个，讲解都非常好，推荐大家看：
u 邵贝贝老师翻译的《嵌入式实时操作系统uCOS-II》书籍，第2章：实时系统概念。
u embOS用户手册的第2章：Basic concepts。

2.1.1    定义

关于嵌入式系统，至今没有确切的定义，下面给出三个比较常用的定义：
l  系统定义
当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的嵌入式操作系统。
注：在工业控制、军事设备、航空航天等领域对系统的响应时间有苛刻的要求，这就需要使用实时系统。我们常常说的嵌入式操作系统都是嵌入式实时操作系统。比如μCOS-III，eCOS。故对嵌入式实时操作系统的理解应该建立在对嵌入式系统的理解之上加入对响应时间的要求。
l  IEEE定义
   嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（Devices used to control, monitor, or assist the operation ofequipment, machinery or plants）。
l  一般定义
以应用为中心、以计算机系统为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
其实还有一种通俗的理解：嵌入式操作系统是为了区别于通用的计算机系统，人们把嵌入到对象体系中，为实现对象体系智能化控制的计算机系统，称作嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

h1654155956.5608 · 2016-8-19 11:13:39

现在轻量级操作系统还是用freertos吧。

lee_st · 2016-8-20 15:54:34

是的，免费，，，，，，

lee_st · 2016-8-21 15:26:18

2.1.2 嵌入式操作系统分类

按对外部事件的响应能力来分类，嵌入式操作系统有分时操作系统和实时操作系统。如果操作系统能使计算机系统及时的响应外部事件请求，并能控制所有实时设备和实时任务协调运行，且能在一个规定的时间内完成对事件的处理，那么这种系统就称为实时操作系统（RTOS）。
按时间的正确程度来分，实时操作系统又分为硬件的实时操作系统和软件的实时操作系统。系统必须在极其严格的时间内完成的任务叫做硬件的实时操作系统，如果不是很严格的话就是软件的实时操作系统。
分时操作系统就是按时间片轮转完成各个任务。

2.1.3 当前流行的嵌入实时操作系统

（说明：2013，2014和2015年度的嵌入式市场分析报告可以在这里查看：http://bbs.armfly.com/read.php?tid=15616，这里以2013年度为例进行说明）。
在2013年里，由UBM Tech Electronics做的2013年嵌入式市场报告分析了当前比较流行的嵌入式实时操作系统。为了说明这个报告的权威性，下图2.1是主办方的信息：

图2.1 Embedded Market Study

根据EETimes上面所说的测试者主要来自欧洲和北美（2015年度的调查已经是全球范围）：
http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1263083
这里我们主要关心的是小型的嵌入式RTOS，这个也是我们本章教程讨论的重点，下面我就把相关的信息贴出来，这样大家也好有个了解。

图2.2 当前正在使用的系统调查

图2.3 未来12个月将使用的系统调查

图2.2和图2.3的含义解释：

1. 图2.2是当前正在使用的系统使用调查，图2.3是以后的12个月里将要使用的系统。

2. 对于图2.2，只有使用超过2%的才会在上面显示。对于图2.3，只有使用超过3%的才会在上面显示。

3. 从图2.2可以看出，Micrium（μCOS-III，II）Net，从2012年的10%下降到2013年的6%。

4. FreeRTOS是小型嵌入式RTOS里面占有率最高的。

5. RTX（由KEIL公司设计，现在KEIL已经被并入ARM公司旗下）也是榜上有名，RTX设计的也非常强劲，将基于Cortex-M3/M4架构的ARM芯片性能发挥到极致，比如中断零延迟特性。

6. embOS也非常的不错，只是没有上榜。可能大家对这款RTOS了解的比较少，说起emWin大家应该比较熟悉了，它们一样都是出自Segger公司。

lee_st · 2016-8-21 15:26:38

2.1.4 STM32嵌入式实时操作系统解决方案

ST公司有一个手册是专门讲嵌入式解决方案的，这里就把RTOS相关的粘贴出来。

一般情况下是这样的，芯片厂商推出一款新的处理器芯片后，都会做一个评估板，很多RTOS厂商都会在这个评估板的基础上做一些相关的DEMO，比如Micrium公司为ST出的评估板配套的例子。

图片:2.6.png

图2.4 Micrium为ST评估板配套的例子

lee_st · 2016-8-21 15:26:53

下图2.5是FreeRTOS为ST评估板配套的例子（部分截图）：

图2.5 FreeRTOS为ST评估板配套的例子

2.2 基于时间触发的嵌入式系统

这里把基于时间触发的嵌入式系统单独的作为一小节是因为时间触发方式在嵌入式领域也很重要，这种方式简单可靠，有很好的可预测性，在一些安全关键的领域也得到了广泛的应用。

有一本时间触发嵌入式系统设计模式（patterns for time-triggered embedded systems）的书，作者是Michael J. Pont，他在这个领域深有研究，而且有很多相关的论文发表，有兴趣的可以搜索一些他的文章进行深入的了解。作为入门，大家可以看一下时间触发嵌入式系统这本书的第11页，1.7 Time-triggered systems（建议必读）对时间触发做了入门性的介绍，讲的非常好。如果读英文有点吃力的话，可以选择读中文版。

另外我们安富莱电子做的uCOS-III教程中有对基于时间触发的合作式调度和混合式调度的讲解。

2.3 总结

本章节是一些入门性质的介绍，从下一章节开始讲解FreeRTOS操作系统。此外，在2.1小节中推荐的两个实时操作系统概念的资料非常有必要读一下，这个会给后面FreeRTOS的学习带来事半功倍的效果。

lee_st · 2016-8-21 15:29:52

分享完成，，，，，，，

sinap_zhj · 2016-8-21 15:53:10

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，简称：EOS）是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

sinap_zhj · 2016-8-21 15:59:35

嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有：嵌入式实时操作系统µC/OS-II、嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:05:52

嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:12:18

高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:14:26

嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专用库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:18:16

嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:20:43

实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CE就是一个多任务分时系统，而Ucos-II则是典型的实时操作系统。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:21:01

硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。

sinap_zhj · 2016-8-21 16:24:35

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。

sinap_zhj · 2016-8-21 19:24:14

嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。

sinap_zhj · 2016-8-21 19:24:51

嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。

sinap_zhj · 2016-8-21 19:35:13

Cache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。