为什么我要考虑在我的嵌入式项目中使用 RTOS？

StackOverflow https://stackoverflow.com/questions/3611322

  •  26-09-2019
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题

首先介绍一下我的问题的背景和细节：

我工作的公司目前使用的平台是 Microchip PIC32 系列，使用 MPLAB IDE 作为我们的开发环境。此前，我们还为同一应用的 Microchip dsPIC 和 TI MSP 系列编写了固件。固件非常简单，代码分为三个主要模块：设备控制、数据采样和用户通信（通常是用户 PC）。设备控制是通过 GPIO 总线线路和至少一个需要 SPI 或 I2C 控制的部分的某种组合来实现的。数据采样由中断驱动，使用定时器模块来维持采样频率，并使用更多 SPI/I2C 和 GPIO 总线来控制采样硬件（即ADC）。目前，用户通信是使用 Microchip 应用框架通过 USB 实现的。

那么现在的问题是：鉴于我上面的描述，我什么时候会考虑在我的项目中使用 RTOS？目前我正在考虑这些可能的触发点作为使用 RTOS 的原因：

  • 代码复杂度？ 代码库架构/组织仍然足够小，我可以将所有细节保留在脑海中。
  • 多任务/线程？ 目前，通过中断对模块执行进行时间切片足以满足多任务处理的需要。
  • 测试？ 目前，我们没有对硬件烟雾测试进行太多正式测试或验证（我希望在不久的将来纠正这一点）。
  • 沟通？ 目前，我们使用自定义数据包格式和协议，该协议几乎仅执行 START、STOP、SEND DATA 命令，且数据为二进制 blob。
  • 项目范围？ 在不久的将来，我们有可能会开展一个项目，将我们的设备集成到更大的系统中，目标是将该系统投入大规模生产。目前，我们所有的项目都是实验原型，大约一个月的快速周转，一次生产一到两个单位。

您认为我还应该考虑哪些其他要点？根据您的经验，是什么说服（或迫使）您考虑使用 RTOS，而不是仅在基本运行时上运行代码？关于 RTOS 设计/编程的其他资源的指针也非常受欢迎。

有帮助吗？

解决方案

您可能想要使用 RTOS 的原因有很多。它们多种多样，而且很难说它们在多大程度上适用于您的情况。（笔记：我倾向于这样思考：实时操作系统 暗示 硬实时 暗示 抢占式内核...）

  • 速率单调分析 (RMA) - 如果你想使用 速率单调分析 为了确保满足您的时间期限，您必须使用抢占式调度程序

  • 满足实时截止日期 - 即使不使用 RMA，通过基于优先级的抢占式 RTOS，您的调度程序也可以帮助确保满足最后期限。矛盾的是，RTOS 通常会增加 中断延迟 由于 临界区 在内核中，中断通常被屏蔽

  • 管理复杂性 —— 当然，RTOS（或大多数操作系统风格）可以帮助解决这个问题。通过允许项目分解为独立的线程或进程，并使用操作系统服务，如消息队列、互斥体、信号量、事件标志等。为了沟通和同步，您的项目（根据我的经验和观点）变得更易于管理。我倾向于从事较大的项目，大多数人都了解保护共享资源的概念，因此不会发生很多新手错误。但请注意，一旦采用多线程方法，事情可能会变得更加复杂，直到您完全解决问题为止。

  • 使用第 3 方包 - 许多 RTOS 提供其他软件组件，例如协议栈、文件系统、设备驱动程序、GUI 包、引导加载程序和其他中间件，通过成为几乎更像“集成商”而不是 DIY 商店，帮助您更快地构建应用程序。

  • 测试 - 是的，当然，您可以将每个控制线程视为具有定义良好的接口的可测试组件，特别是如果使用一致的方法（例如始终阻塞在消息队列上的单个位置）。当然，这并不能替代单元、集成、系统等。测试。

  • 鲁棒性/容错性 - RTOS 还可以为处理器的 MMU 提供支持（在您的 PIC 情况下，我认为这不适用）。这允许每个线程（或进程）在自己的受保护空间中运行；线程/进程不能“深入”彼此的内存并践踏它。甚至设备区域 (MMIO) 也可能禁止某些（或全部）线程访问。严格来说，您不需要 RTOS 来利用处理器的 MMU（或 MPU），但这两者可以很好地协同工作。

一般来说，当我可以使用 RTOS（或某种类型的抢占式多任务处理程序）进行开发时，结果往往会更干净、更模块化、更良好且更易于维护。当我有选择时，我会使用其中一个。

请注意，多线程开发有一定的学习曲线。如果您是 RTOS/多线程开发新手，您可能会对有关以下内容的一些文章感兴趣： 选择 RTOS, 先发制人的危险 和 抢占式多任务处理简介.

最后，即使你没有寻求建议......除了众多的商业 RTOS 之外，还有免费产品（自由实时操作系统 是最受欢迎的之一），并且 量子平台 是一个基于事件驱动概念的框架 活动对象 其中包括一个抢占式内核。有 有很多选择, ，但我发现拥有源代码（即使 RTOS 不是免费的）是有利的，尤其是。调试时。

其他提示

RTOS，首先也是最重要的是允许您组织您的 并行流 到一组任务中，它们之间具有明确定义的同步。

IMO，非 RTOS 设计仅适用于单流架构，其中所有程序都是一个大的无限循环。如果您需要多流程（多个任务并行运行），那么使用 RTOS 会更好。如果没有 RTOS，您将被迫在内部实现此功能，重新发明轮子。

代码重用 -- 如果您使用 RTOS API 编写驱动程序/协议处理程序，它们可能会更容易地插入到未来的项目中

调试 -- 一些 IDE（例如 IAR Embedded Workbench）具有可以显示有关正在运行的进程的实时数据的插件，例如任务 CPU 利用率和堆栈利用率

如果有任何实时限制，通常您会想要使用 RTOS。如果没有实时限制，常规操作系统可能就足够了。RTOS/OS 提供运行时基础设施，例如消息队列和任务分配。如果您只是寻找可以降低复杂性、提供低级支持并帮助测试的代码，以下一些库可能可以：

  • 标准 C/C++ 库
  • 增强库
  • 可通过芯片制造商获得的库，可提供特定于硬件的支持
  • 商业图书馆
  • 开源库

除了前面提到的几点之外，如果您需要支持，使用 RTOS 也可能很有用

  • 标准存储设备（SD、CF、磁盘驱动器...）
  • 标准通信硬件（以太网、USB、火线、RS232、I2C、SPI...）
  • 标准通信协议（TCP-IP，...）

大多数 RTOS 提供这些功能或可扩展以支持它们

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