普通人每天與手機(jī)、汽車(chē)、家用電器、玩具、收銀機(jī)、娛樂(lè)電子產(chǎn)品、安全系統(tǒng)、環(huán)境控制和個(gè)人電子產(chǎn)品中的數(shù)百個(gè)嵌入式處理器進(jìn)行交互。所有這些產(chǎn)品之間的共同聯(lián)系是它們能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)用戶、外部事件和通信渠道。

　　這些嵌入式設(shè)備的軟件可以分為應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)（OS）軟件。應(yīng)用軟件使產(chǎn)品獨(dú)一無(wú)二，并包含使產(chǎn)品符合其規(guī)格所需的數(shù)據(jù)收集、信號(hào)處理和硬件控制例程。操作系統(tǒng)允許程序員將大型應(yīng)用程序分解為更小的、單獨(dú)開(kāi)發(fā)的進(jìn)程或任務(wù)。

　　操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，它調(diào)度程序的執(zhí)行并管理共享資源。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 在保證的最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處理來(lái)自定時(shí)器或外部事件的硬件請(qǐng)求或中斷。程序員通過(guò) API 與操作系統(tǒng)交互并設(shè)置優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。在執(zhí)行期間，RTOS 通過(guò)一系列外部實(shí)時(shí)活動(dòng)來(lái)管理應(yīng)用軟件。

　　內(nèi)部代碼

　　即使具有 RTOS 的優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)仍然在嵌入式實(shí)時(shí)產(chǎn)品中占據(jù)不小的比例。開(kāi)發(fā)人員有多種動(dòng)機(jī)可以完全繞過(guò)商業(yè) RTOS 并編寫(xiě)自己的實(shí)時(shí)例程。開(kāi)發(fā)人員不選擇商業(yè)操作系統(tǒng)的最大原因是缺乏需求。只需運(yùn)行一項(xiàng)任務(wù)，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為他們可以輕松跟蹤所需的硬件交互。

　　特殊情況有時(shí)證明內(nèi)部軟件是合理的。例如，便攜式醫(yī)療保健設(shè)備的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以包括低成本、低功耗和一年的電池待機(jī)壽命，無(wú)需額外的內(nèi)存和處理能力來(lái)支持商業(yè) RTOS。此外，如果一個(gè)新項(xiàng)目是對(duì)先前項(xiàng)目的升級(jí)，開(kāi)發(fā)人員可能希望盡可能多地使用遺留代碼。

　　并非同一家公司發(fā)明的組件也可能是許多開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)自己的操作系統(tǒng)的原因之一。將第三方軟件安裝到他們的展示產(chǎn)品中就像承認(rèn)他們?cè)谀撤N程度上無(wú)法勝任這項(xiàng)任務(wù)。此外，開(kāi)發(fā)人員可能認(rèn)為他們將失去進(jìn)行軟件調(diào)整以補(bǔ)償硬件更改或糾正錯(cuò)誤的能力。設(shè)計(jì)人員可以輕松調(diào)整執(zhí)行順序或使用匯編語(yǔ)言來(lái)解決內(nèi)部開(kāi)發(fā)軟件的關(guān)鍵時(shí)序問(wèn)題。然而，在商業(yè) RTOS 中，調(diào)度程序處理了許多時(shí)序問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)人員失去了完全控制的感覺(jué)。最后，程序員將貼紙震驚列為編寫(xiě)自己的操作軟件的另一個(gè)原因。

　　軟件快捷方式

　　隨著嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜性的增加和項(xiàng)目進(jìn)度的縮短，軟件已經(jīng)取代硬件成為大多數(shù)嵌入式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中價(jià)格最高的項(xiàng)目。如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以購(gòu)買(mǎi) RTOS 并消除軟件結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜部分的編碼、調(diào)試和文檔，那么購(gòu)買(mǎi)決定應(yīng)該得到仔細(xì)考慮。盡管商業(yè) RTOS 可能很昂貴，但較小的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)和較短的項(xiàng)目時(shí)間框架可能會(huì)節(jié)省足夠多的成本來(lái)證明購(gòu)買(mǎi)的合理性。

　　RTOS 允許程序員編寫(xiě)?yīng)毩⒌?、可重用的模塊，以降低軟件復(fù)雜性并縮短開(kāi)發(fā)進(jìn)度。程序員可以獨(dú)立編寫(xiě)每個(gè)軟件例程，而不會(huì)陷入任務(wù)間時(shí)序問(wèn)題。大多數(shù) RTOS 供應(yīng)商提供完整的交互式開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括源代碼編輯器、代碼管理器、鏈接器、下載器、運(yùn)行時(shí)工具和一個(gè)或多個(gè)調(diào)試器。軟件供應(yīng)商還提供軟件性能分析工具，以幫助分析和可視化應(yīng)用程序例程中的實(shí)時(shí)活動(dòng)。程序員可以監(jiān)控哪些任務(wù)正在運(yùn)行，觀察數(shù)據(jù)流，并檢測(cè)任務(wù)何時(shí)以及多久被更高優(yōu)先級(jí)的項(xiàng)目中斷。RTOS 供應(yīng)商一致認(rèn)為，高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)工具可以顯著縮短調(diào)試時(shí)間。

　　除了節(jié)省成本外，RTOS 供應(yīng)商還列舉了多種技術(shù)原因來(lái)證明其產(chǎn)品的合理性。例如，如果應(yīng)用程序涉及大量數(shù)據(jù)處理，則可以輕松擴(kuò)展許多 RTOS，以將任務(wù)分散到多個(gè)處理器上，從而顯著提升性能。RTOS 提供通信和同步服務(wù)以使多處理透明化。此外，與多核處理器一起工作的現(xiàn)成 RTOS 簡(jiǎn)化了新設(shè)計(jì)或產(chǎn)品更新中的舊代碼集成。

　　商業(yè) RTOS 是模塊化的，因此用戶只能選擇他們需要的操作系統(tǒng)的那些部分或功能。指定成熟商業(yè) RTOS 的子集可以降低采購(gòu)成本和所需的內(nèi)存占用。在當(dāng)前的連接趨勢(shì)下，即使是最簡(jiǎn)單的嵌入式產(chǎn)品也可能需要連接到 Internet 并通過(guò) Internet 發(fā)送數(shù)據(jù)。圖形用戶界面也可能成為小型嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，即使只是為了維護(hù)。這些功能在大多數(shù)商業(yè) RTOS 中都包含或可選地可用，但可能非常昂貴或不可能添加到專有操作系統(tǒng)中。供應(yīng)商還將產(chǎn)品按需技術(shù)支持作為商業(yè) RTOS 的主要優(yōu)勢(shì)。

　　現(xiàn)成的平臺(tái)

　　商業(yè) RTOS 不斷升級(jí)以添加新功能并跟上不斷變化的技術(shù)。例如，Wind River 流行的 VxWorks 操作系統(tǒng)最近進(jìn)行了修改，以提供 64 位計(jì)算支持以及改進(jìn)的多核功能。VxWorks 包括一個(gè)外殼、調(diào)試功能、內(nèi)存管理、性能監(jiān)控和對(duì)多處理的支持。實(shí)時(shí)功能包括用于搶先式多任務(wù)處理、中斷響應(yīng)、進(jìn)程間通信和文件系統(tǒng)的內(nèi)核（參見(jiàn)圖 1 中的框圖）。Wind River Workbench 開(kāi)發(fā)工具套件和 Intel Integrated Performance Primitives for VxWorks 支持軟件開(kāi)發(fā)。

　　圖 1： Wind River 的 VxWorks RTOS 適合許多嵌入式應(yīng)用程序，具有 32 位或 64 位處理、多核支持和眾多連接選項(xiàng)。

　　RTOS 支持對(duì)稱多處理 （SMP） 和非對(duì)稱多處理 （AMP） 模式下的各種多核配置，或作為 Wind River Hypervisor 之上的客戶操作系統(tǒng)。VxWorks 還具有可配置和可調(diào)的小內(nèi)存占用，允許用戶控制每個(gè)項(xiàng)目使用多少操作系統(tǒng)。

　　除了提供大量商業(yè) RTOS 產(chǎn)品外，嵌入式系統(tǒng)社區(qū)還維護(hù)一個(gè)基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的開(kāi)源操作系統(tǒng)，可免費(fèi)用于商業(yè)應(yīng)用程序。FreeRTOS 項(xiàng)目正在持續(xù)積極開(kāi)發(fā)中，并根據(jù) GNU 通用公共許可證分發(fā)，但有一個(gè)可選例外，允許用戶對(duì)其專有軟件保密。免費(fèi)源代碼和沒(méi)有經(jīng)常性版稅是小型、低預(yù)算嵌入式項(xiàng)目的流行特性。FreeRTOS 已移植到多個(gè)微控制器平臺(tái)，并且具有最小的 ROM、RAM 和處理開(kāi)銷(xiāo)，從而產(chǎn)生了 4 KB 到 9 KB 范圍內(nèi)的典型內(nèi)核二進(jìn)制映像。盡管內(nèi)核的 FreeRTOS 源代碼僅包含在三個(gè) C 代碼文件中，

　　潛在的開(kāi)源軟件用戶最大的抱怨是缺乏中央資源來(lái)提供類(lèi)似于商業(yè)軟件供應(yīng)商提供的支持。但是，F(xiàn)reeRTOS 網(wǎng)站有一個(gè)活躍的免費(fèi)支持論壇，開(kāi)發(fā)人員可以在其中找到技術(shù)問(wèn)題的答案。為了支持開(kāi)源平臺(tái)，Microchip Technology 提供了 FreeRTOS Microchip PIC32 教育套件。這個(gè) 95 美元的套件包括一個(gè)開(kāi)發(fā)板，使用戶能夠在 PIC32 微控制器系列上開(kāi)發(fā) USB 嵌入式主機(jī)、設(shè)備和 On-The-Go 應(yīng)用程序。

　　實(shí)時(shí)未來(lái)

　　盡管程序員在考慮開(kāi)發(fā)內(nèi)部操作系統(tǒng)的挑戰(zhàn)時(shí)可能會(huì)感到興奮，但“自己動(dòng)手”的日子可能正在逐漸消失。設(shè)計(jì)人員可以期待實(shí)時(shí)軟件成為未來(lái)嵌入式產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。

　　客戶對(duì)更快響應(yīng)時(shí)間、復(fù)雜功能和即時(shí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的需求不斷增加嵌入式設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的技術(shù)還要求嵌入式產(chǎn)品能夠隨著需求的變化進(jìn)行定期軟件更新，以及可能轉(zhuǎn)移到下一代硬件平臺(tái)。

　　在開(kāi)始內(nèi)部軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之前，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)該花時(shí)間分析他們的系統(tǒng)需求、開(kāi)發(fā)計(jì)劃、軟件支持、可擴(kuò)展性、通信、可擴(kuò)展性和未來(lái)增長(zhǎng)。一個(gè)現(xiàn)成的商業(yè) RTOS 甚至開(kāi)源操作系統(tǒng)可能在你的未來(lái)。

　　審核編輯：郭婷