什么是實(shí)時操作系統(tǒng)？
我們先把這個詞拆分成兩部分，一個是實(shí)時（Real Time），它指的是實(shí)現(xiàn)一個功能的線程或者一個任務(wù)必須在一個確定的時間內(nèi)完成。而另一個詞操作系統(tǒng)（OS）則表示一個控制和管理計算機(jī)的硬件、軟件并可以合理分配及調(diào)度相應(yīng)資源，以便可以提供給用戶的程序。那么實(shí)時操作系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就在于“實(shí)時性”，它要保證如果有一個任務(wù)需要執(zhí)行，那么操作系統(tǒng)必須在較短時間內(nèi)執(zhí)行此任務(wù)。
講到了RTOS，就需要提一嘴我們在日常嵌入式開發(fā)中經(jīng)常使用的前后臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個無限循環(huán)的程序組成，這個循環(huán)按順序執(zhí)行不同的應(yīng)用模塊（系統(tǒng)的后臺），由中斷服務(wù)程序處理異步事件（系統(tǒng)的前臺）。一些核心關(guān)鍵操作必須由中斷程序進(jìn)行執(zhí)行，以便可以及時處理。而由中斷程序提供的信息在對應(yīng)后臺程序沒有順序執(zhí)行到之前，是不會被處理的，處理的延遲時間由后臺程序循環(huán)執(zhí)行的快慢來決定。
可以看到這種前后臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡潔清晰，但是它的實(shí)時性主要是靠外部中斷信號，如果軟件規(guī)模變大，處理的模塊變多，變得很難管理，實(shí)時性也根本難以保障。所以需要一個機(jī)制可以給予不同任務(wù)優(yōu)先級的管理，讓優(yōu)先級更高的任務(wù)可以先獲得資源進(jìn)行處理。于是就有實(shí)時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)。
實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）的開發(fā)旨在為了讓某些具有時效性、實(shí)時性的任務(wù)可以優(yōu)先獲得資源進(jìn)行處理。根據(jù)對時間的硬件要求不同，又分為軟實(shí)時系統(tǒng)和硬實(shí)時系統(tǒng)。示意圖如下：
如上圖所示，RTOS將任務(wù)分成了不同等級，總是讓優(yōu)先級更高的任務(wù)先運(yùn)行。同時，中斷優(yōu)先級最高，可以打斷所有任務(wù)，來處理緊急任務(wù)。
接下來再介紹一下RTOS的兩個核心機(jī)制：多任務(wù)和任務(wù)調(diào)度。
1.多任務(wù)：
傳統(tǒng)的CPU處理器同時只能執(zhí)行一個任務(wù)，一個多任務(wù)OS通過快速的任務(wù)切換，可以使它在人眼中看起來好像每個任務(wù)都在并行執(zhí)行。
2.任務(wù)調(diào)度：
對于可剝奪型內(nèi)核，優(yōu)先級高的任務(wù)一旦響應(yīng)，就會剝奪優(yōu)先級較低的任務(wù)的CPU使用權(quán)，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)能力。例如FreeRTOS，該操作系統(tǒng)支持搶占式調(diào)度和時間片調(diào)度。搶占式調(diào)度顧名思義就是任務(wù)一直運(yùn)行直至有比其優(yōu)先級更高的任務(wù)搶占，來進(jìn)行任務(wù)切換。而時間片調(diào)度則是每個任務(wù)都有相同的優(yōu)先級，每個任務(wù)會運(yùn)行固定的時間片個數(shù)或者遇到阻塞函數(shù)，才會執(zhí)行切換。
下面通過一張框圖，來說明一下搶占式調(diào)度如何在RTOS中運(yùn)行。
運(yùn)行過程描述如下：
1.首先任務(wù)1此時在運(yùn)行，此時任務(wù)2準(zhǔn)備就緒，且任務(wù)2比任務(wù)1的優(yōu)先級高，所有在搶占式調(diào)度器的作用下，任務(wù)2會搶占任務(wù)1的執(zhí)行。
2.任務(wù)2此時在運(yùn)行中，運(yùn)行過程中任務(wù)3進(jìn)入就緒。由于任務(wù)3比任務(wù)2優(yōu)先級高，任務(wù)3搶占進(jìn)行執(zhí)行。
相信大家已經(jīng)對實(shí)時操作系統(tǒng)有了初步的認(rèn)識，本文介紹的內(nèi)容只是冰山一角，如果有興趣的話，可以找一款開源RTOS進(jìn)行深入學(xué)習(xí)！
