什么是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是一種專為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序需要在特定時(shí)間內(nèi)做出預(yù)測(cè)的響應(yīng)，因此 RTOS 專注于提供對(duì)時(shí)間約束的強(qiáng)調(diào)，以確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)性能要求。

1. 實(shí)時(shí)性能：

• 硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)： RTOS 可以根據(jù)實(shí)時(shí)性能的要求分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間有極嚴(yán)格的要求，任何未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)都會(huì)被認(rèn)為是失敗。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)也有時(shí)間要求，但相對(duì)靈活，任務(wù)未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失敗。

2. 任務(wù)調(diào)度：

• 實(shí)時(shí)調(diào)度算法： RTOS 使用實(shí)時(shí)調(diào)度算法來確定哪個(gè)任務(wù)將在處理器上運(yùn)行。這些算法考慮任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、截止期限和其他實(shí)時(shí)要求。
• 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)： 在一些情況下，RTOS 可能使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，確保每個(gè)任務(wù)都有機(jī)會(huì)運(yùn)行，以防止某個(gè)任務(wù)長時(shí)間獨(dú)占處理器。

3. 任務(wù)管理：

• 任務(wù)創(chuàng)建與刪除： RTOS 允許創(chuàng)建和刪除任務(wù)。任務(wù)可以是獨(dú)立運(yùn)行的單元，執(zhí)行特定的功能。
• 任務(wù)同步和通信： 提供機(jī)制使任務(wù)能夠同步和通信，如信號(hào)量、互斥鎖、消息隊(duì)列等。

4. 內(nèi)存管理：

• 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配： 一些 RTOS 支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，允許在運(yùn)行時(shí)分配和釋放內(nèi)存。
• 靜態(tài)內(nèi)存分配： 為了提高可預(yù)測(cè)性，一些 RTOS 可能支持靜態(tài)內(nèi)存分配，即在編譯時(shí)為任務(wù)分配內(nèi)存。

5. 中斷處理：

• 中斷服務(wù)例程（ISR）： RTOS 允許開發(fā)人員編寫中斷服務(wù)例程，以處理硬件中斷事件。
• 中斷優(yōu)先級(jí)： 中斷服務(wù)例程可以具有不同的優(yōu)先級(jí)，RTOS 確保高優(yōu)先級(jí)的中斷可以中斷低優(yōu)先級(jí)的中斷或任務(wù)。

6. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘和定時(shí)器：

• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘： 提供對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的支持，以便任務(wù)能夠基于實(shí)際時(shí)間進(jìn)行調(diào)度和同步。
• 定時(shí)器： 允許設(shè)置和管理定時(shí)器，以在指定時(shí)間觸發(fā)任務(wù)或事件。

7. 錯(cuò)誤處理：

• 錯(cuò)誤檢測(cè)與處理： RTOS 通常提供錯(cuò)誤檢測(cè)和處理機(jī)制，以確保系統(tǒng)在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能夠采取適當(dāng)?shù)拇胧?/li>

8. RTOS 應(yīng)用領(lǐng)域：

• 嵌入式系統(tǒng)： RTOS 廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，如汽車控制單元、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等。
• 通信系統(tǒng)： 在通信系統(tǒng)中，RTOS 用于管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、路由器和交換機(jī)等。

9. 示例 RTOS：

• FreeRTOS： 一個(gè)開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。
• VxWorks： 用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的商業(yè) RTOS。
• RTOS-32： 針對(duì) Windows 平臺(tái)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

10. RTOS 與通用操作系統(tǒng)的區(qū)別：

• 實(shí)時(shí)性能： RTOS 關(guān)注實(shí)時(shí)性能，而通用操作系統(tǒng)通常更注重吞吐量和響應(yīng)時(shí)間。
• 內(nèi)核大小： RTOS 通常具有更小、更精簡的內(nèi)核，以確?？焖賳?dòng)和響應(yīng)。
• 任務(wù)調(diào)度： RTOS 使用實(shí)時(shí)調(diào)度算法，以確保任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在對(duì)實(shí)時(shí)性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過提供對(duì)任務(wù)調(diào)度、同步、通信和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的支持，RTOS 使得開發(fā)者能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間要求極高的系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，RTOS 成為了不可或缺的工具。

FreeRTOS

FreeRTOS 是一個(gè)開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。FreeRTOS 提供了對(duì)任務(wù)調(diào)度、同步、通信和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的支持，使得開發(fā)者能夠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間要求極高的系統(tǒng)。FreeRTOS 通過 MIT 開源許可免費(fèi)分發(fā)，包括一個(gè)內(nèi)核和一組不斷豐富的 IoT 庫，適用于所有行業(yè)領(lǐng)域。FreeRTOS 的構(gòu)建突出可靠性和易用性。

FreeRTOS 的開發(fā)活動(dòng)已從 SVN 遷移到 GitHub，現(xiàn)在可以直接在 FreeRTOS 的 Github頁面上找到。從 GitHub 下載 FreeRTOS 早期版本 的標(biāo)準(zhǔn) zip (.zip) 文件或自解壓 zip 文件 (.exe) 。解壓縮 源代碼，同時(shí)確保不改動(dòng)文件夾結(jié)構(gòu)。

FreeRTOS 官方下載頁有兩個(gè)版本的下載包，一個(gè)是最新版，一個(gè)是長期支持（LTS）版。最新版下載包包含最新 FreeRTOS 內(nèi)核 、 FreeRTOS-Plus 庫 和 AWS IoT 庫，以及示例項(xiàng)目。長期支持版下載包則包含 FreeRTOS LTS 庫，其中包括 FreeRTOS 內(nèi)核和 IoT 庫，但沒有示例項(xiàng)目。可以根據(jù)自己需要選擇下載。

因?yàn)槭稚险糜?ESP32-C3 小飛控板，所以接下來的 playground 就以這個(gè)小板子為例了。而 ESP-IDF 中已經(jīng)集成了 FreeRTOS，所以我們可以直接使用 ESP-IDF 來開發(fā) FreeRTOS 應(yīng)用。

Hello World

配置好 ESP-IDF 開發(fā)環(huán)境后，按照以下步驟配置實(shí)現(xiàn)本示例項(xiàng)目：

步驟 1: 安裝 ESP-IDF

確保你已經(jīng)安裝了 ESP-IDF。你可以按照 Espressif 的官方文檔 ESP-IDF 安裝指南進(jìn)行安裝。

步驟 2: 創(chuàng)建新項(xiàng)目

1. 打開終端或命令提示符窗口，切換到你希望創(chuàng)建項(xiàng)目的目錄。
2. 運(yùn)行以下命令來創(chuàng)建一個(gè)新的 ESP-IDF 項(xiàng)目：

idf.py create-project hello_world

這將創(chuàng)建一個(gè)包含默認(rèn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的新目錄。

步驟 3: 進(jìn)入項(xiàng)目目錄

cd < project-name >

步驟 4: 配置項(xiàng)目

1. 運(yùn)行以下命令配置項(xiàng)目：

idf.py menuconfig

這將打開一個(gè)菜單配置界面，你可以在其中配置項(xiàng)目的各種選項(xiàng)，包括串口設(shè)置、Wi-Fi 配置、組件選項(xiàng)等。配置完成后，保存并退出。

2. (可選) 如果你想使用 VSCode 或其他 IDE 進(jìn)行開發(fā)，可以運(yùn)行以下命令生成 IDE 項(xiàng)目文件：

idf.py vscode

這將生成與 Visual Studio Code 兼容的配置文件。

步驟 5: 編譯和燒錄

在main目錄下找到hello_world_main.c文件，寫入以下內(nèi)容：

#include < stdio.h >
#include < inttypes.h >
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_chip_info.h"
#include "esp_flash.h"

void app_main(void)
{
    printf("Hello world!n");

    /* Print chip information */
    esp_chip_info_t chip_info;
    uint32_t flash_size;
    esp_chip_info(&chip_info);
    printf("This is %s chip with %d CPU core(s), %s%s%s%s, ",
           CONFIG_IDF_TARGET,
           chip_info.cores,
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_WIFI_BGN) ? "WiFi/" : "",
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_BT) ? "BT" : "",
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_BLE) ? "BLE" : "",
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_IEEE802154) ? ", 802.15.4 (Zigbee/Thread)" : "");

    unsigned major_rev = chip_info.revision / 100;
    unsigned minor_rev = chip_info.revision % 100;
    printf("silicon revision v%d.%d, ", major_rev, minor_rev);
    if(esp_flash_get_size(NULL, &flash_size) != ESP_OK) {
        printf("Get flash size failed");
        return;
    }

    printf("%" PRIu32 "MB %s flashn", flash_size / (uint32_t)(1024 * 1024),
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_EMB_FLASH) ? "embedded" : "external");

    printf("Minimum free heap size: %" PRIu32 " bytesn", esp_get_minimum_free_heap_size());

    for (int i = 10; i >= 0; i--) {
        printf("Restarting in %d seconds...n", i);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
    printf("Restarting now.n");
    fflush(stdout);
    esp_restart();
}

這段代碼將輸出"Hello World！"，并打印一些芯片基本信息。

1. 使用以下命令編譯項(xiàng)目：

idf.py build

2. 使用以下命令燒錄固件到 ESP32：

idf.py -p < PORT > flash

其中 是你的 ESP32 開發(fā)板連接到計(jì)算機(jī)的端口。你可以使用 ls /dev/tty*（在 Linux/macOS）或 mode 命令（在 Windows）來查找端口。

步驟 6: 監(jiān)視串口輸出

1. 使用以下命令啟動(dòng)監(jiān)視串口輸出：

idf.py -p < PORT > monitor

這將打開一個(gè)窗口，顯示 ESP32 的串口輸出。你可以看到程序的調(diào)試信息和日志。

2. 如果你修改了代碼并重新編譯，可以使用以下命令重新燒錄并啟動(dòng)監(jiān)視：

idf.py -p < PORT > flash monitor

運(yùn)行成功的話，應(yīng)該會(huì)在控制臺(tái)輸出類似以下內(nèi)容：

Hello world!
This is esp32c3 chip with 1 CPU core(s), WiFi/BLE, silicon revision v0.4, 2MB external flash
Minimum free heap size: 330392 bytes
Restarting in 10 seconds...
Restarting in 9 seconds...
Restarting in 8 seconds...
Restarting in 7 seconds...
Restarting in 6 seconds...
Restarting in 5 seconds...
Restarting in 4 seconds...
Restarting in 3 seconds...
Restarting in 2 seconds...
Restarting in 1 seconds...
Restarting in 0 seconds...
Restarting now.