学习和掌握一种 RTOS 何小庆北京麦克泰软件技术有限公司 2016 年 10 月上海和北京
什么是 RTOS? R(real) T(time) OS (Operating System) 实时多任务操作系统 RTOS 一种操作系统, 属于嵌入式操作系统 RTOS 有三大特征 : 确定性, 实时性和可靠性 具有并行 异步处理和中断处理能力 RTOS 种类很多 ; 有商业,DIY 和开源 和其他嵌入式 OS 比较 :RTOS 比较小巧和专用 Page 2
什么样 OS 是 RTOS? 那么什么样 OS 能称为 RTOS 呢? IEEE 的实时 UNIX 分委会认为应具备 异步的事件响应 确定的切换时间和中断延迟时间 基于优先级的抢占式调度 内存锁定 同步. Page 3
RTOS vs. RTOS Kernel 操作系统是一系列软件的集合, 提供管理资源管理和应用代码服务的能力 RTOS 已经包含了一系列的软件库 ( 中间件 ) Application File System GUI TCP/IP Kernel RTOS USB Bluetooth RS-232 Hardware Page 4
RTOS vs. RTOS Kernel The terms operating system and kernel are often used interchangeably( 互换 ) A kernel is actually a subset of an operating system It can be viewed as the glue that holds the other components together ( 胶水的作用 ) FreeRTOS 和 µc/os-iii is a real-time kernel Vxwork is RTOS Page 5
RTOS 的历史 RTOS 已经有超过 30 年的历史 比较著名的商业产品有 ;( 按照时间顺序 ) VRTX Microtec (Mentor 公司收购 ) psos Wind RiverSystem wrs.com (WRS 公司收购 ) OS-9 Microware Microware.com (Metorworks 收购 ) SMX Micro Digtal www.smxrtos.com VxWorks Wind RiverSystem wrs.com (Intel 公司收购 ) LynxOS lynuxwork ynuxworks.com QNX QNX www.qnx.com ( 黑莓收购 ) CMX CMX system www.cmx.com Nucleus ATI www.mentor.com/esd (Mentor 收购 ) THREADX Expresslogic www.rtos.com uc/os II/III Micrium www.micrium.com INTEGRITY Gree Hill www.ghs.com 全球超过 100 多种, 中国几种, 更有许多用户自己设计 RTOS Page 6
开源的 RTOS RTEMS 实时多处理器系统, 最早运用在美国防系统 由 OAR 公司维护, 广泛用在航空航天和军工 FreeRTOS 比较清晰的表现其目标和专注点在支持 8-16-32 位 MCU, 但整体缺乏系统性和配套 ecos 基于 GNU 的 RTOS, 含 TCP/IP 和文件系统,Redhad 曾拥有, ecocentric 维护, 消费电子应用 TinyOS 基于传感网络的的 RTOS, 有超低功耗管理 Zephyr Linux 基金会宣布了一个微内核项目, 由 Intel 主导, 风河提供技术 Page 7
为什么要学习 RTOS (today)? 物联网的大潮,MCU 迎来一个新的发展机遇 : 物联网系统表现为是一个分散的 普适计算的嵌入式系统, 大量的 MCU 替代过去的 运行 Linux 的嵌入式处理器 (AP) 物联网应用需要动态功耗效率, 以使系统能够在一定的频率范围 (50 到 300+ MHz) 内, 以最低的功耗水平运行 高功耗效率 (DMIPS/mW) 意味着应用可以在较低的频率下运行, 从而降低有效功耗 物联网系统是连接性系统, 需要高度的安全性 目前有多种方法可以在 MCU 内部实现这一点 未来 MCU 支持硬件虚拟化技术非常重要, 这可实现应用和数据在多个受信任的分立单元内的隔离 Page 8
物联网设备需要 RTOS Page 9
RTOS 的应用 工业控制装置 通信设备 消费电子产品 仪器仪表 军事电子设备 航空航天系统 计算机外设 医疗电子产品. Page 10
RTOS 的精髓 - 多任务系统 TASK ISR F1 F3 OR TASK TASK TASK Output1 ISR ISR TASK F2 TASK Output2 任务独立, 基于优先级任务调度 任务间通信, 异步处理 F1,F2,F3 三个功能模块接口清晰 易于加入任务 Initial Design Added Later Page 11
RTOS 内核基本功能 系统结构 内核一般很小 ( 几 K- 几十 K) 架构多是单核 CPU, 个别是微内核 存储管理 采用简单 快速的内存分配方案, 静态或动态 多任务调度 优先级抢占和时间片轮转调度 多任务间通信 任务间通信和同步互斥 提供的机制有信号量 邮箱 消息队列 事件标志 互斥 Page 12
RTOS 开发工具 ( 过去 ) PC 4 串口连接 1 仿真器 2 JTAG I 接口 电源.. USB 连接 开发板 3 Page 13
嵌入式 Linux 开发工具 目标板 主机 (PC 运行虚拟机 ) JTAG 和网络 Page 14
RTOS 的开发方式 ( 现在 ) Page 15 一台 PC 一块开发板一个 USB
学习 RTOS 方法 任务管理是重点 掌握任务建立, 调度, 通信和互斥等机制 掌握内存管理方式 ( 静态作为重点 ) 学习 RTOS 内核和硬件相关部分 - 中断和时钟管理 一种简单的驱动编写, 比如串口 移植过去是重点, 现在芯片公司参与多些 RTOS 应用编程接口 - 缺少标准但要掌握一种 POSIX-UNIX 标准 uitron 日本标准 OSEK/VDX- 汽车电子和交通标准 CMSISRTOS-ARM 制定 Cortex MCU RTOS 接口标准 RTOS 编程语言和开发工具 C/C++.IAR/KEIL/GCC Page 16
RTOS 的组件 OS 组件越来越多 越来越重要 协议 开源 LwIP 和 uip 文件系统 (Flash/NAND/SD) USB 设备和主栈协议 图形模块,uC/GUI (emwin) 和 TouchFX, 纯软件模块对于 MCU 消耗大, 软硬结合方案, 多点触屏和 2D/3D 图形是未来趋势 芯片公司开始提供 RTOS 的组件 ( 源代码和二进制 ) 大型的 RTOS 基本包括了基本组件 比如 Vxwork,QNX 包含 TCP/IP,FILE 和 GUI 小型的 RTOS 组件是外加的 uc/os-iii 有 uc/gui,uc/fs,uc/tcp 等 应用决定需要那些组件, 组件也决定了使用和选择哪种 RTOS Page 17
RTOS 的发展趋势 技术角度 微内核技术将是主流 虚拟化技术将通用 OS 与 RTOS 融合 物联网安全 应用角度 标准化和安全认证是趋势 AUTOSAR, MISRA C, SAE J2640, LIN,FlexRay,MOST,IEC61508,DO178B,FDA 半导体技术与软件结合 SoC/FPGA 与 RTOS 的结合 Page 18
如何选择一个 RTOS? 首选你是仅仅需要一个 kernel 还是需要组件? FreeRTOS 自己只有 kernel, 其他第三方,uc/OS-II/II 相当完整 你的硬件设计使用的是 MCU 还是 AP 两者都可以使用 RTOS, 但是后者可以支持 Linux 或者 Android 嵌入式和物联网安全的需求 : 借助 MCU/AP 的 MPU 和 MMU 可以实现系统内存保护, 从而获得安全认证和预认证的安全产品, 比如 SaftRTOS 网络安全协议 : TLS/SSL/VPN 等, 只有部分 RTOS 产品支持 芯片和硬件平台的支持 每家的 MCU 公司的 SDK 都会支持 1-2 RTOS 价格 技术支持和服务升级 开源? 一次性版式, 还是 unit/per CPU/side 一年和本地化服务 Comparing microcontroller real-time operating systems Sergey Kolesnik, Telecard-Pribor Page 19 Ltd. - December 08, 2013
RTOS 的比较 : 代码尺寸与实时性 代码尺寸比较 实时性比较 uc/os-ii uc/linux RTOS 任务切换时间 内核 文件系统 代码 :8-24 KB 数据 :1-3 KB ROM:Min 18 KB RAM:Min 5 kb 代码 :600KB 1.5MB 数据 : 几百 KB ROM:2MB 以上 TCP/IP ROM:75-120 KB ROM: 几百 KB embos 约 4 µs uc/os-ii 约 6 µs RT-Linux 约 50 µs 注 : 以上数据均为 ARM7 下的比较结果 结论 1)Linux 系统不适合硬实时要求高的应用 ; 2) 商业的嵌入式操作系统的代码要小得多, 对用户来说 - 可以选用集成闪存的单片机, 价格更便宜 硬件布线更为简化 Page 20
smx vs. FreeRTOS Ralph moore SMX 创始人和架构师做了一下测试 : 更多的信息访问 www.smxinfo.com Page 21
学习资料 uc/os-ii 和 III 有非常好中文图书和开发板 ( 官方 ) FreeRTOS 资料比较少, 官方的手册需要购买 (PDF) 芯片公司的 BSP 比较多 视频 (ATMEL 工程师 ) 1 RTOS 介绍 http://v.youku.com/v_show/id_xntgymtezotu2.html 2 RTOS 特性和 API http://v.youku.com/v_show/id_xntgymte4njqw.html 3 FreeRTOS 使用 http://v.youku.com/v_show/id_xntgymte4mdg4.html 4 深入了解 FreeRTOS http://v.youku.com/v_show/id_xntgymtiyodgw.html Page 22
嵌入式操作系统风云录 : 历史的演进与物联网未来 本书全面回顾了嵌入式操作系统演进历史, 主流的嵌入式操作系统技术特点 成长历程以及背后的商业故事, 展望了嵌入式操作系统未来的技术路径 市场发展趋势和物联网时代的新机遇 本书以时间轴讲述了从 RTOS 开源嵌入式操作系统到物联网操作系统发展历程, 以技术为视角剖析了嵌入式操作系统的实时性 安全性和云计算等重要技术, 从手机 通信 汽车和可穿戴几个市场讨论了嵌入式操作系统的应用, 从嵌入式操作系统知识产权讨论了商业模式的问题 共计 15 章 20 万字, 历史 3 年 Page 23
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