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摘要：嵌入式實時操作系統是一個特殊的程序通常稱為內核，它可以創建，銷毀，控制所有任務。顯示處理函數運行過程中，定時器產生中斷，系統進入定時器中斷程序將傳感器標志位置。實時操作系的子系統將再后續持續更新。
嵌入式實時操作系統是什么
嵌入式實時操作系統是一個特殊的程序，是一個支持多任務的運行環境。嵌入式實時操作系統最大的特點就是“實時性”，如果有一個任務需要執行，實時操作系統會立即執行該任務，不會有較長的延時。典型的實時操作系統有uCOS ，RT-Thread，FreeRTOS ，VxWorks，WinCE等。
嵌入式實時操作系統是一個特殊的程序(通常稱為內核)，它可以創建，銷毀，控制所有任務。嵌入式實時操作系統除了包含一個內核以外，還提供其他服務，如文件系統，協議棧，圖形用戶界面等。本文的重點在于了解嵌入式實時操作系統內核的工作原理和結構，因此文中提到的實時操作系統通常指的是操作系統內核。實時操作系統內核通常要占用5%左右的CPU運行時間，另外內核是一個軟件代碼，需要額外占用ROM空間和RAM空間。
實時性
實時性可以定義為：觸發條件產生后系統的反應能力。通俗的描述就是“天下武功唯快不破”，能達到所需要的“快”就是實時,在不同的場合需要達到us級、ns級。實時系統不僅僅只表現在“快”上，更主要的是實時系統需要對觸發事件在限定時間內做出反應，這個限定時間是根據實際需要來定，例如自動駕駛控制系統的規定時間要求很短，需要在極短時間內做出動作；一些農業溫度控制系統的規定時間要求比較長，需要溫度控制平滑穩定。
響應時間
實時性越強，其響應時間越短。響應時間是指系統識別到一個事件到開始做出響應的時間。舉一個簡單的例子：一個工控設備有一個急停按鍵開關，用戶希望按下急停開關的時候系統立即將停止所有的動作，假設用戶在第1.001秒時按下了急停開關，軟件系統在第1.011秒時執行了停止指令，工控設備相應的機械部件在1.211秒停止動作，此時軟件系統響應時間為0.01秒，設備系統響應時間為0.21秒，設備系統的響應時間和軟件系統的響應時間有一定區別，通常情況下設備系統的響應時間>軟件系統的響應時間。本文中提到的響應時間指的是軟件系統的響應時間。
再舉一個通俗的例子：你在玩王者榮耀，突然發現對面打野從草叢中跑出準備gank你，從你眼睛看到，到手指點擊閃現，然后到你的人物閃現到塔下。這就是響應時間，高端職業玩家可能只需要100ms即可完成整套動作，而菜鳥玩家可能需要1000ms來完成整個動作。
普通的嵌入式軟件架構
普通的嵌入式軟件系統通常設計成前后臺結構，這個結構包含一個死循環和若干中斷服務程序：應用程序是一個無限循環的代碼塊，循環中調用相應的函數完成相應的操作（后 臺），中斷程序用于處理系統的異步事件（前臺）。前臺稱做中斷級，后臺稱做任務級。下面是一個典型的前后臺結構的代碼：
上圖中的代碼的執行流程是：
1、判斷按鍵標志位，若標志位為1就執行按鍵處理操作。
2、判斷通訊標志位，若標志位為1就執行通訊處理操作。
3、執行LCD顯示操作
4、判斷傳感器標志位，若標志位為1就執行傳感器處理操作。
此代碼中有3個中斷函數：
1、GPIO外部中斷，當按鍵按下后產生一個中斷，中斷函數中將鍵標志位置1。
2、串口空閑中斷，當串口總線空閑時產生一個中斷，中斷函數中將通訊標志位置1。
3、定時器中斷，每500ms周期性產生一個中斷，中斷函數中將傳感器標志位置1。
代碼執行如圖所示：
分析運行圖：
1、程序判斷按鍵標志位，標志位為0，不執行按鍵處理函數。
2、程序判斷通訊標志位，標志位為0，不執行通訊處理函數。
3、程序執行顯示處理函數，此時用戶按下了按鍵，系統進入按鍵中斷程序將按鍵標志位置1，中斷完成后返回顯示處理函數繼續運行。
4、顯示處理函數運行過程中，此時串口接收完一包數據產生了一個空閑中斷，系統進入串口空閑中斷程序將通訊標志位置1，中斷完成后返回顯示處理函數繼續運行。
5、顯示處理函數運行過程中，定時器產生中斷，系統進入定時器中斷程序將傳感器標志位置1。
6、顯示處理函數執行完畢，程序判斷傳感器標志位，標志位為1，執行通訊處理函數。
7、程序判斷按鍵標志位，標志位為1，執行按鍵處理函數。
8、程序判斷通訊標志位，標志位為1，執行通訊處理函數。
9、無限循環…
由上述例子可知，按鍵標志位和通訊標志位就緒后，程序還需要等待顯示函數，傳感器函數執行完畢。即使是按鍵處理函數的緊急性再高，也需要等待其他函數執行完畢。因此就產生了響應延遲，響應延遲的時間隨機的不確定的，有的時候時幾毫秒的時間，有的時候是幾百毫秒甚至更長（如執行傳感器讀取），因此需要提高系統的實時性。
實時操作系統
實時操作系可以隨時剝奪正在運行任務的CPU使用權，并將CPU使用權交給進入就緒狀態的最高優先級任務，使用操作系統后的運行圖如下：
分析運行圖：
1、低優先級的顯示任務正在運行，此時用戶按下了按鍵，系統進入按鍵中斷程序給按鍵任務發送一個信號，此時按鍵任務進入就緒狀態，中斷返回時切換到按鍵處理任務中運行。
2、按鍵處理任務正在運行，此時串口接收完一包數據產生了一個空閑中斷，系統進入串口空閑中斷程序并給通訊處理任務發送一個信號，通訊處理任務進入就緒狀態，中斷返回時切換到通訊處理任務。
3、通訊處理任務執行完畢，放棄CPU使用權限，此時切換到按鍵處理任務。
4、按鍵處理任務執行完畢，放棄CPU使用權限，此時切換到顯示處理任務。
由此可見，當觸發產生后實時操作系將立即中斷當前的任務并執行相應的任務。使用實時操作系可以極大的提高軟件系統的實時性。
實時操作系統組成
實時操作系由以下3個子系統組成（以uCOS和FreeRTOS為參考對象）：
1、任務調度子系統
2、任務通信子系統
3、內存管理子系統
任務調度子系統主要是維護兩個鏈表：就緒表和等待表。切換任務時從就緒表中取出最高優先級任務；任務需要延時等待時，內核將任務中就緒表中移動到等待表中；時鐘節拍任務會周期性的更新等待表，并將等待時間完成的任務從等待表中移動到就緒表中。
任務通訊子系統主要是維護一個鏈表：掛起表。任務需要等待信號時，內核將任務移動到掛起表中，當內核收到信號時，內核將任務從掛起表中移動到就緒表中。
內存管理子系統，內核提供了幾種動態申請內存的方式，防止出現內存碎片。
實時操作系的子系統將再后續持續更新。
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作者：李巍
Github：liyinuoman2017
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