单片机实时操作系统(RTOS) 3 种调度策略

在智能化日益普及的今天，单片机实时操作系统(RTOS)的存在，为单片机提供了强大的控制能力和高效能的工作机制。接下来，我们将深入探讨三款广受欢迎的单片机实时操作系统：μC/OS-II、FreeRTOS以及RT-Thread，详细剖析它们的独特特性、适用场景，并探讨在开发过程中如何根据需求做出明智的选择。

单片机作为嵌入式系统的核心组件，已深入到众多应用领域中。而单片机实时操作系统在这些系统中起到了至关重要的作用。它不仅提供了强大的控制和高效机制，还使得设备能在各种应用领域中稳定运行。单片机RTOS不仅增强了单片机的能力，也为其应用在智能设备中提供了稳定性和高效性。μC/OS-II是一款实时操作系统，专为单片机设计。它以其高稳定性和可移植性在嵌入式领域赢得了广泛的赞誉。μC/OS-II以其可移植、可固化、可裁剪的特性著称，适用于需要实时性的项目。该操作系统能在数控机床控制系统中确保各轴电机控制任务和刀具换刀任务的有序执行。

μC/OS-II提供了丰富的功能，包括任务管理、时间管理、内存管理和任务间通信等。其多任务处理能力使得系统能够同时处理多个任务，显著提高了系统的效率。支持多任务处理，同时还提供任务管理、内存管理及高效的通信机制。在工业自动化和汽车电子等领域，μC/OS-II的应用尤为显著。例如，在工业自动化设备的应用场景中，高优先级任务能够迅速抢占并执行，确保系统对故障的实时响应。此外，其内存管理机制也大大减少了内存碎片化，提高了内存使用效率并简化任务间的协同工作。

我们日常使用的 PC 机，它的主要目标是并行执行多任务，强调的是吞吐率(尽可能多的执行很多应用程序的代码)，因此，采用的是分时操作系统，也就是每个任务都有一个时间片，当一个任务分配的时间片用完了，就自动换出(调度)，然后执行下一个任务。我们平常在写 x86 平台上写普通的客户端程序时，很少需要指定应用程序的调度策略和优先级，使用的是系统默认的调度机制。反过来说，也就是在某些需要的场合下，是可以设置进程的调度策略和优先级的。例如在 Linux 系统中，可以通过 sched_setscheduler() 系统函数 设置 3 种调度策略：

1. SCHED_OTHER： 系统默认的调度策略，计算动态优先级(counter+20-nice)，当时间片用完之后放在就绪队列尾;

2. SCHED_FIFO： 实时调度策略，根据优先级进行调度，一旦占用CPU就一直执行，直到自己放弃执行或者有更高优先级的任务需要执行;

3. SCHED_RR： 也是实时调度策略，在 SCHED_FIFO 的基础上添加了时间片。在执行时，可以被更高优先级的任务打断，如果没有更高优先级的任务，那么当任务的执行时间片用完之后，就会查找相同优先级的任务来执行。

1. 为什么 Linux 系统是软实时的?

可能有小伙伴会有疑问：既然 Linux 系统中提供了 SCHED_FIFO 基于优先级的调度策略，为什么仍然不能称之为真正的硬实时操作系统?这就要从 Linux 的发展历史说起了。

Linux 操作系统在设计之初，就是为了桌面应用而开发的，在那个时代，多个终端(电传打字机和屏幕)连接到同一个电脑主机，需要处理的是多任务、并行操作，并不需要考虑实时性，因此，在 Linux 内核中的一些基因，严重影响了它的实时性，例如有如下几个因素：

(1) 内核不可抢占

我们知道，一个应用程序在执行时，可以在用户态和内核态执行(当调用一个系统函数，例如：write 时，就会进入内核态执行)，此时任务是不可抢占的。

即使有优先级更高的任务准备就绪，当前的任务也不能立刻停止执行。而是必须等到当前这个任务返回到用户态，或者在内核态中需要等待某个资源而睡眠时，高优先级任务才可以执行。

因此，这就很显然无法保证高优先级任务的实时性了。

(2) 自旋锁

自旋锁是用于多线程同步的一种锁，用来对共享资源的一种同步机制，线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行，因此是一种忙等待。一旦获取了自旋锁，线程会一直保持该锁，直至显式释放自旋锁。

自旋锁避免了进程上下文的调度开销，因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的，也就是说，只能在阻塞很短的时间才适合使用自旋锁。

但是，在自旋锁期间，任务抢占将会失效，这就是说，即使自旋锁的阻塞时间很短，但是这仍然会增加任务抢占延时，让调度变得不确定。

(3) 中断的优先级是最高的

任何时刻，只要中断发生，就会立刻执行中断服务程序，也就是中断的优先级是最高的。只有当所有的外部中断和软终端都处理结束了，正常的任务才能得到执行。

这看起来是好事情，但是想一想，如果有比中断优先级更高的任务呢?假如系统在运行中，网口持续接收到数据，那么中断就一直被执行，那么其他任务就可能一直得不到执行的机会，这是影响 Linux 系统实时性的巨大挑战。

(4) 同步操作时关闭中断

如果去看 Linux 内核的代码，可以看到在很多地方都执行了关中断指令，如果在这期间发生了中断，那么中断响应时间就没法保证了。

2. Linux 系统如何改成硬实时?

以上描述的几个因素，对 Linux 实现真正的实时性构成了很大的障碍，但是现实世界又的确有很多场合需要 Linux 具有硬实时，那么就要针对上面的每一个因素提出解决方案。

目前主流的解决方案有 2 个：单内核解决方案：给 Linux 内核打补丁，解决上面提到的几个问题，例如：RT-Preempt;双内核解决方案：在硬件抽象层之上，运行 2 个内核：实时内核 + Linux 内核，它们分别向上层提供 API 函数，例如：Xenomai。

基础扎实：学习单片机有助于你深入理解底层硬件的工作原理，如IO操作、中断处理、定时器、串行通信等。

资源消耗少：单片机通常用于资源受限的环境，因此学习单片机可以让你了解如何在有限的资源下进行优化。

实时性强：单片机通常用于需要快速响应的场合，如控制电机、读取传感器数据等。

成本较低：单片机的开发板通常价格较低，适合初学者。

RTOS还提供了丰富的资源管理功能，如内存管理、信号量、消息队列等。这些机制有助于开发者实现任务间的同步和通信，提高系统的可扩展性和可维护性。在裸机编程中，这些功能通常需要开发者自行实现，不仅增加了开发难度，还容易引入错误。通过RTOS的内存管理机制，开发者可以动态分配和释放内存，有效避免内存泄漏和碎片问题。信号量和消息队列等同步机制则有助于任务间的协调运行，防止资源冲突和死锁现象的发生。这些功能在STM32等单片机上尤为重要，因为它们能够显著提升系统的稳定性和可靠性。RTOS的另一个显著优势在于其提高了开发效率。在裸机编程中，开发者需要手动管理中断、定时器、内存等资源，这不仅耗时费力，还容易出错。而RTOS提供了丰富的API和工具链，简化了开发流程，降低了开发难度。通过RTOS，开发者可以更快地构建原型，进行功能验证和调试。RTOS提供的任务调度和优先级管理功能，使得开发者能够更容易地定位和解决性能瓶颈。此外，RTOS还支持多种调度算法，如轮询调度、优先级调度和时间片轮转调度等，开发者可以根据应用需求选择合适的调度策略，进一步优化系统性能。