STM32单片机开发中的RTOS

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STMCU小助手发布时间：2021-8-2 11:15

技术帖
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文章简介:	要从裸机的思维转变到RTOS（Real Time Operating System）的思维，其实需要一个过程，而且开始的一段时间会很痛苦。但过一段时间理解了一些内容，能写一些Demo之后，你会发现其实RTOS也不难。

很多STM32单片机初学者都是从裸机开始的，裸机确实也能开发出好的产品。但是，作为一个嵌入式软件工程师，况且用的并不是51那种低端单片机，如果只会用裸机开发产品，那肯定是不够的。

要从裸机的思维转变到RTOS（Real Time Operating System）的思维，其实需要一个过程，而且开始的一段时间会很痛苦。但过一段时间理解了一些内容，能写一些Demo之后，你会发现其实RTOS也不难。

现在FreeRTOS在CubeMX工具中可以直接配置并使用，相当方便。

为什么需要RTOS

为什么我们需要RTOS？就像最开始学C编程时，老师告诉我们，指针很重要，那时你肯定有一个大的疑问，指针到底有什么好？
心里一直犯嘀咕着：不用指针不一样把程序编出来了？现在想想看C语言没了指针，是不是“寸步难行”呢。
回到正题，我们到底为什么需要RTOS？
一般的简单的嵌入式设备的编程思路是下面这样的：

这是最常见的一种思路，对于简单的系统当然是够用了，但这样的系统实时性很差。
比如“事务1”如果是一个用户输入的检测，当用户输入时，如果程序正在处理事务1下面的那些事务，那么这次用户输入将失效，用户的体验是“这个按键不灵敏，这个机器很慢”，而我们如果把事务放到中断里去处理，虽然改善了实时性但会导致另外一个问题，有可能会引发中断丢失，这个后果有时候比“慢一点”更加严重和恶劣！
又比如事务2是一个只需要1s钟处理一次的任务，那么显然事务2会白白浪费CPU的时间。
改进思路
看到上面裸机开发的局限了吗？
这时，我们可能需要改进我们的编程思路，一般我们会尝试采用“时间片”的方式。这时候编程会变成下面的方式：

可以看到，这种改进后的思路，使得事务的执行时间得到控制，事务只在自己的时间片到来后，才会去执行。但这种方式仍然不能彻底解决“实时性”的问题，因为某个事务的时间片到来后，也不能立即就执行，必须等到当前事务的时间片用完，并且后面的事务时间片没到来，才有机会获得“执行时间”。

这时候我们需要继续改进思路,为了使得某个事务的时间片到来后能立即执行，我们需要在时钟中断里判断完时间片后，改变程序的返回位置，让程序不返回到刚刚被打断的位置，而从最新获得了时间片的事务处开始执行，这样就彻底解决了事务的实时问题。

我们在这个思路上，进行改进，我们需要在每次进入时钟中断前，保存CPU的当前状态和当前事务用到的一些数据，然后我们进入时钟中断进行时间片处理，若发现有新的更紧急的事务的时间片到来了，则我们改变中断的返回的地址，并在CPU中恢复这个更紧急的事务的现场，然后返回中断开始执行这个更紧急的事务。

使用RTOS的好处

上面那段话，对于初学者来说，可能有些不好理解。
事实上，这是因为要实现这个过程是有些复杂和麻烦的，这时候我们就需要找一个操作系统(OS)帮我们做这些事了，如果你能自己用代码实现这个过程，事实上你就在自己写操作系统了。
其实从这里也可也看出，操作系统的原理其实并不那么神秘，只是一些细节你很难做好。我们常见的RTOS基本都是这样的一个操作系统，它能帮你完成这些事情，而且是很优雅的帮你完成！
事实上，RTOS的用处远不止帮你完成这个“事务时间片的处理”，它还能帮你处理各种超时，进行内存管理，完成任务间的通信等。

有了RTOS，程序的层次也更加清晰，给系统添加功能也更方便，这一切在大型项目中越发的明显！