普通人每天與手機、汽車、家用電器、玩具、收銀機、娛樂電子產品、安全系統、環境控制和個人電子產品中的數百個嵌入式處理器進行交互。所有這些產品之間的共同聯系是它們能夠實時響應用戶、外部事件和通信渠道。

　　這些嵌入式設備的軟件可以分為應用軟件和操作系統（OS）軟件。應用軟件使產品獨一無二，并包含使產品符合其規格所需的數據收集、信號處理和硬件控制例程。操作系統允許程序員將大型應用程序分解為更小的、單獨開發的進程或任務。

　　操作系統的核心是內核，它調度程序的執行并管理共享資源。實時操作系統 （RTOS） 在保證的最長時間內處理來自定時器或外部事件的硬件請求或中斷。程序員通過 API 與操作系統交互并設置優先級和數據依賴關系。在執行期間，RTOS 通過一系列外部實時活動來管理應用軟件。

　　內部代碼

　　即使具有 RTOS 的優勢，國產操作系統仍然在嵌入式實時產品中占據不小的比例。開發人員有多種動機可以完全繞過商業 RTOS 并編寫自己的實時例程。開發人員不選擇商業操作系統的最大原因是缺乏需求。只需運行一項任務，設計人員認為他們可以輕松跟蹤所需的硬件交互。

　　特殊情況有時證明內部軟件是合理的。例如，便攜式醫療保健設備的設計目標可以包括低成本、低功耗和一年的電池待機壽命，無需額外的內存和處理能力來支持商業 RTOS。此外，如果一個新項目是對先前項目的升級，開發人員可能希望盡可能多地使用遺留代碼。

　　并非同一家公司發明的組件也可能是許多開發人員編寫自己的操作系統的原因之一。將第三方軟件安裝到他們的展示產品中就像承認他們在某種程度上無法勝任這項任務。此外，開發人員可能認為他們將失去進行軟件調整以補償硬件更改或糾正錯誤的能力。設計人員可以輕松調整執行順序或使用匯編語言來解決內部開發軟件的關鍵時序問題。然而，在商業 RTOS 中，調度程序處理了許多時序問題，因此開發人員失去了完全控制的感覺。最后，程序員將貼紙震驚列為編寫自己的操作軟件的另一個原因。

　　軟件快捷方式

　　隨著嵌入式系統復雜性的增加和項目進度的縮短，軟件已經取代硬件成為大多數嵌入式開發項目中價格最高的項目。如果設計團隊可以購買 RTOS 并消除軟件結構中最復雜部分的編碼、調試和文檔，那么購買決定應該得到仔細考慮。盡管商業 RTOS 可能很昂貴，但較小的開發團隊和較短的項目時間框架可能會節省足夠多的成本來證明購買的合理性。

　　RTOS 允許程序員編寫獨立的、可重用的模塊，以降低軟件復雜性并縮短開發進度。程序員可以獨立編寫每個軟件例程，而不會陷入任務間時序問題。大多數 RTOS 供應商提供完整的交互式開發環境，包括源代碼編輯器、代碼管理器、鏈接器、下載器、運行時工具和一個或多個調試器。軟件供應商還提供軟件性能分析工具，以幫助分析和可視化應用程序例程中的實時活動。程序員可以監控哪些任務正在運行，觀察數據流，并檢測任務何時以及多久被更高優先級的項目中斷。RTOS 供應商一致認為，高質量的開發工具可以顯著縮短調試時間。

　　除了節省成本外，RTOS 供應商還列舉了多種技術原因來證明其產品的合理性。例如，如果應用程序涉及大量數據處理，則可以輕松擴展許多 RTOS，以將任務分散到多個處理器上，從而顯著提升性能。RTOS 提供通信和同步服務以使多處理透明化。此外，與多核處理器一起工作的現成 RTOS 簡化了新設計或產品更新中的舊代碼集成。

　　商業 RTOS 是模塊化的，因此用戶只能選擇他們需要的操作系統的那些部分或功能。指定成熟商業 RTOS 的子集可以降低采購成本和所需的內存占用。在當前的連接趨勢下，即使是最簡單的嵌入式產品也可能需要連接到 Internet 并通過 Internet 發送數據。圖形用戶界面也可能成為小型嵌入式系統的標準，即使只是為了維護。這些功能在大多數商業 RTOS 中都包含或可選地可用，但可能非常昂貴或不可能添加到專有操作系統中。供應商還將產品按需技術支持作為商業 RTOS 的主要優勢。

　　現成的平臺

　　商業 RTOS 不斷升級以添加新功能并跟上不斷變化的技術。例如，Wind River 流行的 VxWorks 操作系統最近進行了修改，以提供 64 位計算支持以及改進的多核功能。VxWorks 包括一個外殼、調試功能、內存管理、性能監控和對多處理的支持。實時功能包括用于搶先式多任務處理、中斷響應、進程間通信和文件系統的內核（參見圖 1 中的框圖）。Wind River Workbench 開發工具套件和 Intel Integrated Performance Primitives for VxWorks 支持軟件開發。

　　圖 1： Wind River 的 VxWorks RTOS 適合許多嵌入式應用程序，具有 32 位或 64 位處理、多核支持和眾多連接選項。

　　RTOS 支持對稱多處理 （SMP） 和非對稱多處理 （AMP） 模式下的各種多核配置，或作為 Wind River Hypervisor 之上的客戶操作系統。VxWorks 還具有可配置和可調的小內存占用，允許用戶控制每個項目使用多少操作系統。

　　除了提供大量商業 RTOS 產品外，嵌入式系統社區還維護一個基于實時內核的開源操作系統，可免費用于商業應用程序。FreeRTOS 項目正在持續積極開發中，并根據 GNU 通用公共許可證分發，但有一個可選例外，允許用戶對其專有軟件保密。免費源代碼和沒有經常性版稅是小型、低預算嵌入式項目的流行特性。FreeRTOS 已移植到多個微控制器平臺，并且具有最小的 ROM、RAM 和處理開銷，從而產生了 4 KB 到 9 KB 范圍內的典型內核二進制映像。盡管內核的 FreeRTOS 源代碼僅包含在三個 C 代碼文件中，

　　潛在的開源軟件用戶最大的抱怨是缺乏中央資源來提供類似于商業軟件供應商提供的支持。但是，FreeRTOS 網站有一個活躍的免費支持論壇，開發人員可以在其中找到技術問題的答案。為了支持開源平臺，Microchip Technology 提供了 FreeRTOS Microchip PIC32 教育套件。這個 95 美元的套件包括一個開發板，使用戶能夠在 PIC32 微控制器系列上開發 USB 嵌入式主機、設備和 On-The-Go 應用程序。

　　實時未來

　　盡管程序員在考慮開發內部操作系統的挑戰時可能會感到興奮，但“自己動手”的日子可能正在逐漸消失。設計人員可以期待實時軟件成為未來嵌入式產品的標準。

　　客戶對更快響應時間、復雜功能和即時數據訪問的需求不斷增加嵌入式設計的挑戰。先進的技術還要求嵌入式產品能夠隨著需求的變化進行定期軟件更新，以及可能轉移到下一代硬件平臺。

　　在開始內部軟件開發項目之前，開發人員應該花時間分析他們的系統需求、開發計劃、軟件支持、可擴展性、通信、可擴展性和未來增長。一個現成的商業 RTOS 甚至開源操作系統可能在你的未來。

　　審核編輯：郭婷