何时需要使用RTOS

嵌入式开发人员在开始新项目时面临越来越多的挑战。在万物互联时代到来之前，嵌入式系统几乎没有或没有安全对策。如今，开发人员必须专注于增强嵌入式安全性，以防止在线对手和侧通道攻击，即使它们有致力于延长电池寿命并配置响应迅速且直观的用户界面。

多年来，对程序结构的态度也发生了变化，从简单的循环到使用状态机，对于复杂的系统，需要使用嵌入式实时操作系统（RTOS）。多核设备的广泛使用也影响了开发人员构建应用程序的方式。

使用RTOS可以在嵌入式系统中带来许多好处，包括更好的资源管理、可预测的应用程序行为和改进的响应性。然而，采用RTOS需要重新思考程序结构，关于基于RTOS的开发产业界仍然存在一些误解。资深媒体人Robert Huntley与Segger、Zephyr Project和北欧半导体（Nordic）的高管进行了交谈，了解到更多关于开发人员必须做出的关键决策，以及如何简化从传统程序结构向RTOS的过渡。

现存结构的作用

一个根本问题是，现存程序结构是否以及在哪里仍然有效。嵌入式RTOS供应商Segger（德国）的合作伙伴营销经理Dirk Akemann说：“这里仍然有时间片轮转的位置，但它越来越不受欢迎，这个问题与小资源MCU仍然相关。”

Linux基金会嵌入式系统副总裁兼Linux托管开源Zephyr项目主任Kate Stewart也提出了类似的观点。“这一切都取决于系统设计，”她说，“这是关于弄清楚嵌入式系统如何与硬件配合使用，以及您是否必须对任务和调度有精确性要求。”

Stewart说：“如果约束很简单，那么你可以使用循环。然而，如果您的设计使用更复杂的环境，想要利用安全、安全和通信协议，并且需要时间限制，则RTOS是必要的。”

当被问及大学是否在向学生开发人员讲授使用RTOS的好处和如何使用时，Akemann表示有工作要做。他说：“一个计算机科学程序员，他们基本上知道如何编程，但这与嵌入式设计中的具体要求无关，而且真正解决这一问题的课程仍然很少，从电气工程专业的角度来看，它是相似的问题。”

RTOS具有可移植性

在实施基于RTOS的开发方法时，需要做出一些关键决定。Stewart说：“你必须了解的第一件事是在系统内工作所需的资源限制。你完成任务的处理器配置是什么？你需要消耗多少电力？然后还有考虑，您是否有完成任务所需的通信等内容要求，启动过程中是否有时间考虑因素，以及您可能需要的采样率是多少。另一个因素是设备是否必须与人机交互。”

Akemann指出了代码可移植性越来越重要。“如果您有在许多不同平台上运行的RTOS，当您选择的MCU不再可用或出现供应链问题时，您可以切换芯片。然而，请记住，如果你不使用RTOS，你的可移植性就会消失。”

首次使用RTOS的开发人员面临着学习曲线，但Akemann表示，这不是不可逾越的。他说：“通常，客户会实施相当笨重的一个应用程序，但根据我的经验，他们很快就习惯了。Segger通过为我们的embOS RTOS提供一份包含许多示例的手册来提供帮助。最初，人们只编写一个超级循环应用程序，并在将任务分配给特定进程之前将所有内容都放在一个任务中。他们甚至可能认为操作系统中存在一些魔力，操作系统将让他们有机会比以前做得更多。情况并非如此，但通常情况下，客户会很快习惯这种现实。”

纠正误解

关于RTOS的一个常见误解是，与类似的裸机方法相比，内存要求要高得多。Stewart反驳说“Linux基金会的开源RTOS Zephyr项目只需要10kB就可以运行一个Blinky应用程序（闪烁LED而不是显示“你好，世界”），然后您可以使用Zephyr Kconfig文件和设备树来添加您需要的其余部分，一切都已经集成到代码库中。”

Stewart还驳斥了RTOS是一个黑匣子的假设，她观察到：“当事情出错时，你需要有透明度和理解能力，这就是你通过开源RTOS获得的。因此，当事情不成功时，你可以把你的分析放到一个新的层级去做。”

Akemann谈到了这样的想法，即使用RTOS可以比没有RTOS做更多事情，同时在这个过程中对硬件施加“小限制”。他说RTOS将“增加一点执行时间，因为需要代码执行才能从一个任务切换到另一个任务”。

Akemann说，“另一个误解是，RTOS是一个完整的操作系统，就像Windows或Linux一样。嵌入式RTOS并非如此，它通常只是调度器本身。它不附带IP堆栈、USB堆栈或支持其他外围设备的协议。当然，一些供应商提供这些堆栈，但我们经常从客户那里听到的误解是，他们想要一个完整的操作系统”包括来自单一来源的一切中间件。

硬件抽象

北欧半导体（挪威）的开发人员营销经理Ali Aljaani就开发人员如何接受RTOS概念提供了见解。“对于开发人员来说，这是一个相当大的话题。”他说，“如果你设身处地为来自嵌入式大学课程的开发人员着想，你控制硬件的方法就是写寄存器。与将硬件设备参数放入头文件中不同，使用RTOS，硬件是从源代码中抽象出来的，就Zephyr而言，所有内容都被抽象成设备树，因此当您选择目标时，它会选择该硬件的设备树。”

Aljaani说，Nordic认识到需要对从裸机方法切换到RTOS的工程师进行教育和指导，并做出了相应的响应。“随着硬件的不断改进、多个内核和丰富的外围设备，如果你想在裸机上做类似过程间通信的事情，那就是一场噩梦。我们决定对教育进行大量投资，并成立了北欧开发者学院。”Aljaani说“例如，我们的NR Connect SDK基础知识课程解释了Zephyr的行为，Zephyr是我们使用的核心RTOS组件，以及Kconfig和设备树的概念。这些需要都是动手操作的，所以我们从用一个很小的源代码解释想法开始，并继续构建。”

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