MCU（Microcontroller Unit）和SoC（System on a Chip）是兩種不同的嵌入式系統(tǒng)，它們通常運(yùn)行不同類型的操作系統(tǒng)，具體取決于其應(yīng)用場(chǎng)景和硬件資源。

1、MCU（Microcontroller Unit）:

類型：MCU是一種單一芯片集成了處理器核心、內(nèi)存、外設(shè)和其他基本功能的微控制器。

應(yīng)用場(chǎng)景：常用于簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)，例如傳感器控制、嵌入式設(shè)備等。

操作系統(tǒng)：多數(shù)情況下，MCU并不運(yùn)行傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)，而是使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）或裸機(jī)編程。RTOS可以提供實(shí)時(shí)性、輕量級(jí)的任務(wù)調(diào)度和事件處理。

2、SoC（System on a Chip）:

類型：SoC是集成了處理器核心、內(nèi)存、外設(shè)以及可能的其他處理單元（如GPU、DSP等）的復(fù)雜芯片。

應(yīng)用場(chǎng)景：通常用于更復(fù)雜、多用途的嵌入式系統(tǒng)，例如智能手機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)-on-a-chip等。

操作系統(tǒng)：SoC可以運(yùn)行更復(fù)雜的操作系統(tǒng)，包括Linux、Android、FreeRTOS等。具體選擇取決于應(yīng)用需求和硬件資源。在一些資源有限的情況下，也可以選擇裸機(jī)編程或輕量級(jí)RTOS。

總的來(lái)說(shuō)，MCU更傾向于在實(shí)時(shí)性要求高、資源有限的場(chǎng)景下使用RTOS或者裸機(jī)編程，而SoC則具有更大的靈活性，可以運(yùn)行更復(fù)雜的操作系統(tǒng)，適用于多用途的嵌入式應(yīng)用。選擇操作系統(tǒng)的決策通常由具體的應(yīng)用需求和硬件資源決定。

01MCU是選擇跑裸機(jī)，還是跑RTOS？

選擇MCU跑裸機(jī)（Bare-Metal）還是跑RTOS（Real-Time Operating System）取決于具體的應(yīng)用需求和項(xiàng)目要求。每種選擇都有其優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。

裸機(jī)編程：

資源效率：裸機(jī)編程通常更輕量級(jí)，不需要額外的操作系統(tǒng)開銷，因此在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中可能更為合適。

實(shí)時(shí)性：對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的應(yīng)用，裸機(jī)編程可以提供更精確的控制，因?yàn)闆](méi)有額外的任務(wù)調(diào)度和中斷延遲。

簡(jiǎn)單性：裸機(jī)編程相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有操作系統(tǒng)的復(fù)雜性，適合一些簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用，如傳感器控制、定時(shí)器應(yīng)用等。

RTOS：

多任務(wù)處理：如果應(yīng)用需要同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，RTOS提供了任務(wù)調(diào)度和管理機(jī)制，簡(jiǎn)化了多任務(wù)并發(fā)處理。

抽象層：RTOS提供了抽象層，簡(jiǎn)化了開發(fā)者對(duì)底層硬件的操作，提高了代碼的可移植性。

易維護(hù)性：RTOS可以提高代碼的可維護(hù)性，通過(guò)任務(wù)劃分和模塊化設(shè)計(jì)，更容易理解和調(diào)試。

時(shí)間管理：對(duì)于需要精確的時(shí)間管理和處理的應(yīng)用，RTOS可以提供更可靠的時(shí)間管理和調(diào)度。

選擇的考慮因素：

應(yīng)用需求：確定應(yīng)用的性質(zhì)和需求，如果是簡(jiǎn)單的、實(shí)時(shí)性要求高的控制任務(wù)，裸機(jī)編程可能足夠。如果需要處理多個(gè)任務(wù)或復(fù)雜的控制邏輯，RTOS可能更合適。

資源限制：考慮硬件資源的限制，如果MCU資源非常有限，裸機(jī)編程可能更為合適。如果有足夠的資源，并且希望簡(jiǎn)化開發(fā)流程，RTOS可能是一個(gè)好的選擇。

開發(fā)經(jīng)驗(yàn)：開發(fā)者對(duì)裸機(jī)編程或RTOS的經(jīng)驗(yàn)也是考慮的因素。對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者，裸機(jī)編程可能更容易上手；而對(duì)于復(fù)雜的項(xiàng)目，RTOS提供了更高層次的抽象，可能更容易管理。

最終的選擇應(yīng)該根據(jù)具體項(xiàng)目的需求、開發(fā)者的技能水平以及硬件資源等因素進(jìn)行權(quán)衡。在一些項(xiàng)目中，也可以結(jié)合裸機(jī)編程和RTOS的方式，根據(jù)具體任務(wù)的需求選擇合適的策略。

很多剛畢業(yè)進(jìn)入職場(chǎng)的同學(xué)，由于在學(xué)校一直開發(fā)裸機(jī)，所以對(duì)RTOS有一點(diǎn)畏懼。其實(shí)選擇FreeRTOS這樣的輕量級(jí)的RTOS，給你提供了一些“武器”，對(duì)于復(fù)雜功能的開發(fā)，開發(fā)難度其實(shí)是降低的。

02為什么大多數(shù)SoC選擇Linux作為操作系統(tǒng)

大多數(shù)SoC選擇Linux作為操作系統(tǒng)的原因有多個(gè)，其中一些關(guān)鍵因素包括：

廣泛的支持：Linux是一個(gè)開源操作系統(tǒng)，得到了全球廣泛的支持和社區(qū)參與。這使得大多數(shù)SoC供應(yīng)商都能夠輕松地為其硬件提供Linux內(nèi)核和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。

豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)：Linux擁有龐大而豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)，包括開源工具、庫(kù)、應(yīng)用程序等。這使得開發(fā)者能夠更容易地訪問(wèn)和利用各種現(xiàn)有的軟件資源，從而加速應(yīng)用程序的開發(fā)過(guò)程。

多用戶支持：Linux是一個(gè)多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，適用于需要支持多個(gè)用戶同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景。這對(duì)于一些復(fù)雜的SoC，如智能手機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)等來(lái)說(shuō)是非常重要的特性。

強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持：Linux內(nèi)核支持豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功能，適用于需要網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式系統(tǒng)。這對(duì)于連接互聯(lián)網(wǎng)、進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用非常重要。

開放源代碼：Linux的開放源代碼模型使得SoC制造商可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行定制和優(yōu)化。這種開放性有助于適應(yīng)各種硬件架構(gòu)和滿足不同市場(chǎng)需求。

穩(wěn)定性和可靠性：Linux經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和測(cè)試，已經(jīng)變得非常穩(wěn)定和可靠。這對(duì)于一些對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景是至關(guān)重要的。

社區(qū)支持和更新：Linux有龐大的社區(qū)支持，新的內(nèi)核版本和補(bǔ)丁定期發(fā)布，這意味著SoC制造商和開發(fā)者可以獲得最新的功能、安全性和性能優(yōu)化。

綜合這些因素，Linux成為了許多SoC的首選操作系統(tǒng)，特別是在需要處理較為復(fù)雜的任務(wù)、具備豐富的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)、要求網(wǎng)絡(luò)連接和多用戶支持的場(chǎng)景下。然而，也有一些資源有限或?qū)?shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，可能會(huì)選擇其他操作系統(tǒng)、包括安卓或者RTOS。

還有些芯片，主要針對(duì)的就是Linux系統(tǒng)的外設(shè)，不考慮MCU的外設(shè)的場(chǎng)景。比如一些高通的wifi芯片，只支持linux的驅(qū)動(dòng)移植。所以你在沒(méi)有芯片廠家支持的前提下，是沒(méi)法把它用在非linux的情況的。

03關(guān)于RT-Linux

RT-Linux是一個(gè)基于Linux內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），它通過(guò)對(duì)Linux內(nèi)核的修改和擴(kuò)展，使其具備實(shí)時(shí)性能。RT-Linux的目標(biāo)是在維持Linux的通用性和強(qiáng)大性的同時(shí)，提供對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的支持，使得它可以在需要高實(shí)時(shí)性的應(yīng)用中使用。

以下是RT-Linux的一些主要特點(diǎn)和介紹：

實(shí)時(shí)性：RT-Linux致力于提供可預(yù)測(cè)、可控的實(shí)時(shí)性能。通過(guò)引入實(shí)時(shí)調(diào)度器和中斷處理機(jī)制，它能夠確保任務(wù)在指定的時(shí)間內(nèi)得到執(zhí)行，滿足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求。

Linux內(nèi)核擴(kuò)展：RT-Linux是在Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和修改而來(lái)的。它保留了Linux的通用性和豐富的功能，同時(shí)增加了實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度器、硬實(shí)時(shí)中斷等實(shí)時(shí)特性。

實(shí)時(shí)調(diào)度器：RT-Linux引入了實(shí)時(shí)調(diào)度器，允許任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)和截止時(shí)間進(jìn)行調(diào)度。這有助于確保實(shí)時(shí)任務(wù)按時(shí)執(zhí)行，而不受非實(shí)時(shí)任務(wù)的干擾。

硬實(shí)時(shí)中斷：RT-Linux提供了硬實(shí)時(shí)中斷機(jī)制，以確保對(duì)于一些對(duì)時(shí)間敏感的任務(wù)，能夠以極低的延遲進(jìn)行響應(yīng)。

POSIX兼容性：RT-Linux保持了對(duì)POSIX標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，這使得它與許多現(xiàn)有的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序和開發(fā)工具更加兼容。

開源：RT-Linux是開源軟件，基于GPL許可證發(fā)布。這使得開發(fā)者可以自由訪問(wèn)、修改和分發(fā)源代碼。

適用范圍：RT-Linux適用于需要Linux通用性和實(shí)時(shí)性能的應(yīng)用，如工控系統(tǒng)、嵌入式控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

RT-Linux有幾個(gè)主要的版本，其中一些較為知名的版本包括：

RTLinux/GPL：最早的RT-Linux版本，由RTLinux公司（現(xiàn)為Wind River Systems）開發(fā)。RTLinux/GPL是一個(gè)實(shí)時(shí)擴(kuò)展模塊，通過(guò)將實(shí)時(shí)調(diào)度器插入Linux內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)性。

RTLinuxFree：是RT-Linux/GPL的一個(gè)開源版本，其目標(biāo)是提供對(duì)Linux內(nèi)核的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，以增強(qiáng)Linux在實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用中的可用性。

RTAI（Real-Time Application Interface）：RTAI是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，提供了對(duì)Linux內(nèi)核的實(shí)時(shí)支持。RTAI與RTLinux有類似的目標(biāo)，但其實(shí)現(xiàn)方式和架構(gòu)略有不同。

Xenomai：Xenomai是一個(gè)實(shí)時(shí)框架，通過(guò)在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核（Cobalt）來(lái)提供硬實(shí)時(shí)性。Xenomai不同于RTLinux的內(nèi)核插件方式，而是在用戶空間運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)。

PREEMPT-RT：PREEMPT-RT不是RT-Linux的特定版本，而是一個(gè)用于向Linux內(nèi)核添加搶占性的實(shí)時(shí)擴(kuò)展。它通過(guò)對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行修改，引入了更多的搶占性，以提高Linux的實(shí)時(shí)性能。

這些版本各自有不同的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式，開發(fā)者在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的需求、硬件平臺(tái)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定最適合的版本。當(dāng)前的實(shí)時(shí)Linux解決方案領(lǐng)域仍在發(fā)展，開發(fā)者可以根據(jù)項(xiàng)目的具體情況選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案

04為什么裸機(jī)程序又被稱作前后臺(tái)

裸機(jī)系統(tǒng)通常分成輪詢系統(tǒng)和前后臺(tái)系統(tǒng)

輪詢系統(tǒng)

輪詢系統(tǒng)即是在裸機(jī)編程的時(shí)候，先初始化好相關(guān)的硬件，然后讓主程序在一個(gè)死循環(huán)里面不斷循環(huán)，順序地做各種事情，大概的偽代碼看下方代碼塊輪詢系統(tǒng)是一種非常簡(jiǎn)單的軟件結(jié)構(gòu)，通常只適用于那些只需要順序執(zhí)行代碼且不需要外部事件來(lái)驅(qū)動(dòng)的就能完成的事情。在代碼清單 中，如果只是實(shí)現(xiàn) LED 翻轉(zhuǎn)，串口輸出，液晶顯示等

這些操作，那么使用輪詢系統(tǒng)將會(huì)非常完美。但是，如果加入了按鍵操作等需要檢測(cè)外部信號(hào)的事件，用來(lái)模擬緊急報(bào)警，那么整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力就不會(huì)那么好了。

前后臺(tái)系統(tǒng)

相比輪詢系統(tǒng)，前后臺(tái)系統(tǒng)是在輪詢系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了中斷。外部事件的響應(yīng)在中斷里面完成，事件的處理還是回到輪詢系統(tǒng)中完成，中斷在這里我們稱為前臺(tái)，main 函數(shù)里面的無(wú)限循環(huán)我們稱為后臺(tái)。

在順序執(zhí)行后臺(tái)程序的時(shí)候，如果有中斷來(lái)臨，那么中斷會(huì)打斷后臺(tái)程序的正常執(zhí)行流，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序里面標(biāo)記事件，如果事件要處理的事情很簡(jiǎn)短，則可在中斷服務(wù)程序里面處理，如果事件要處理的事情比較多，則返回到后臺(tái)程序里面處理。雖然事件的響應(yīng)和處理是分開了，但是事件的處理還是在后臺(tái)里面順序執(zhí)行的，但相比輪詢系統(tǒng)，前后臺(tái)系統(tǒng)確保了事件不會(huì)丟失，再加上中斷具有可嵌套的功能，這可以大大的提高程序的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。在大多數(shù)的小型項(xiàng)目中，前后臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)用的好。

審核編輯：湯梓紅