嵌入式OS入门笔记——RTX案例分析之简介

嵌入式OS入门笔记-以RTX为案例：一.简介

        最近在做OS相关的项目，一方面涉及到大量（通用）操作系统的概念和理解，另一方面要深入到一个小实时操作系统的源代码中，并在此操作系统上开发应用。虽然说内容上并不难，但是操作系统本身是一个非常基础，影响深远的计算机科技的小分支，所以把操作系统的知识重新整理一遍，同时结合实时操作系统的实际情况，形成这样一套笔记，一是对项目的一个回顾，另外也方便将来回来查阅吧。

1.操作系统的角色

        OS其实是一个很宏大的概念，不好捉摸。根据维基百科的定义，OS是一组管理硬件和为应用软件提供服务的软件。这个说法很精练但依然抽象。我觉得大部分OS扮演着两个最主要的角色：硬件的抽象表达者和资源的管理者。

硬件的抽象

        如果要读取硬盘中的某一个数据，首先得确定盘片，然后确定磁道和扇区，最后通过磁头读取进内存。这实际上是一系列复杂的机械和电子的操作，虽然说复杂，但是影响最终运作结果的因素（读写地址）不多，大部分操作是对于不同的读写都是相同的。如果每一次执行读写硬盘操作，应用程序都要明确地对硬件作出准确的指示，那么应用程序会臃肿无比，程序员也会为编写这样的程序感到非常无趣。

        正如David Wheeler的那句名言：“Any problem in computer science can besolved with another layer of indirection.”OS的首要任务正是把这些繁杂的底层硬件的执行细节隐藏，提供给程序和用户一个相对抽象的概念。例如把一系列的机械和电子操作转化为简单的一句代码-读取硬盘（地址）。

        一般普通计算机使用者之所以不熟悉底层的这些细节，也正是因为有OS，这个硬件的抽象的存在。他们对计算机运作的认识，只是一个建立在OS基础之上的心理模型（mental model）。

Hard  Disk Driver - 《Operating System Concepts》

资源的管理

        最早期的计算机是没有操作系统的，一般会有一个操作人员（operator）负责给程序排序，安排下一个时间段运行何程序。其实这就是操作系统的雏形，而这时这个操作人员的主要任务就是分配计算机资源。操作系统的核心其实就是资源的分配和管理，特别是在多程序（multiprogramming）的环境下。如何优化资源的分配，减少有害的竞争，提高某些资源的共享效率，都是操作系统关心的核心话题。这里说的资源主要指的是硬件资源，例如内存，CPU，网络带宽和I/O等等。

        其实纵观很多OS的教科书的组织，一般主要的讨论话题不外乎进程，内存和外设。这些话题都离不开OS的这两个角色，例如进程管理，很大一部分就是关于资源的分配，而进程本身又是OS对程序的一个抽象。所以我觉得具体学习研究OS时，只要能够抓住1.它抽象的对象和抽象的程度；2.如何合理的优化资源的安排，就能够达到学习研究的目的。

2.实时操作系统

        其实嵌入式操作系统不一定就是实时操作系统（RTOS），反之亦然。但很多场合下嵌入式开发应用都对实时性的要求很高，所以这两个概念经常混用。RTOS最突出的就是它要在deadline之前完成任务，其中又分两种，一种是硬deadline，如果不能在规定deadline前完成，那么后果会很严重甚至产生一些致命的错误；而软deadline则稍微宽松一点，即使不能够在deadline前完成，deadline后继续完成任务直至完成也是可以接受的。

        一个很通常的误区就是，RTOS和通用OS的最大差别是RTOS要快。虽然速度快很重要，但这不是RTOS的核心特征。RTOS最为重要的是其行为的决定性（determinism）和可预测性（Predictability），同时RTOS对系统的响应速度要求也很高。当然，RTOS的容错，纠错能力也要足够强。

        这些特性其实都是一些极端工业环境下对OS的要求，例如在核反应和化学反应中，非常精确的控制，特别是在时间上的控制，往往决定了整个工业过程的成败，而且失败的代价往往非常高。所以一个好的RTOS，虽然没有一些通用的操作系统全面，但其行为的差异（variance）会比通用OS小得多。

3.RTX

我会以Keil开发的RTX实时操作系统作为主要的参考操作系统。这里面有几个原因：

RTX五脏俱全，是个完整且优秀的实时操作系统 RTX对ARM设备Cortex-M系列的芯片有比较好的支持(自家产品) 更重要的是，RTX不仅免费，而且其代码是开放的，是可以自由查阅的！

这些基本情况就写到这里，下次我会更具体地介绍一下RTX和其他涉及到的工具。