介绍

“实时操作系统（RTOS）是一种旨在为实时应用程序过程数据提供服务的操作系统（OS），通常没有缓冲延迟。” （wikipedia.org） RTOS中的关键因素是最小的中断延迟和最小的线程切换延迟。 RTOS的响应速度或可预测性要比给定时间段内可以执行的工作量高。对于嵌入式设备，一般规则是，当应用程序需要执行的操作不只是一些简单的操作时，请使用RTOS。 RTOS允许以增加更多应用程序/系统功能（例如，通信堆栈，电源管理等）进行扩展的方式来构建应用程序。

实时操作系统具有以下目标:

小延迟：毕竟是实时的！
确定性：同样，它是实时的。您需要知道需要花费多长时间才能确保按时完成。
结构化软件：使用RTOS，您可以以结构化方式进行分治。直接在应用程序中添加其他组件。
可伸缩性：RTOS必须能够从简单的应用程序扩展到具有堆栈，驱动程序，文件系统等的复杂应用程序。
卸载开发：RTOS管理系统的许多方面，使开发人员可以专注于其应用程序。例如，RTOS与调度一起通常处理电源管理，中断表管理，内存管理，异常处理等。

在本研讨会中，我们将介绍通用的RTOS主题。 SimpleLink™软件开发套件（SDK）支持TI-RTOS和FreeRTOS。它还在两个RTOS之上都支持POSIX API。下面，我们将使用POSIX API作为RTOS的具体示例，但是这些概念适用于两种RTOS产品。

这是我们将学到的东西：

对RTOS术语的基本了解
对RTOS调度程序的基本了解

术语

首先让我们对一些关键定义进行标准化。假设您对嵌入式处理有一个基本的了解，即了解什么是中断，什么是堆栈等。

标准线程类型

在本研讨会中，我们将使用术语线程作为任何执行块的通用术语。这是每个基于RTOS的应用程序中的典型线程。

中断服务程序（ISR）：由硬件中断启动的线程。 ISR运行完毕。 ISR共享同一堆栈。
任务：等待事件发生时可能阻塞的线程。传统上，任务是长期存在的线程（与运行至完成的ISR相反）。每个任务都有自己的堆栈，这使它可以长期存在。
空闲：最低优先级的线程仅在没有其他线程准备执行时运行。通常，空闲只是具有最低优先级的特殊任务。

调度器

每个RTOS都有一个调度程序。调度程序负责管理系统中线程的执行。调度程序有两种主要的管理方法：

抢占式调度：这是最常见的RTOS调度器类型。使用抢占式调度程序，正在运行的线程将继续运行，直到
- 完成（例如，ISR完成）
- 较高优先级的线程准备就绪（在这种情况下，较高优先级的线程优先于较低优先级的线程）
- 线程在等待资源时放弃处理器（例如，一个任务调用sleep（））。

TI-RTOS和FreeRTOS都具有抢占式调度程序。该研讨会将重点讨论抢先式调度程序。

时间片调度：这种调度类型确保为每个线程分配一个执行插槽。这种类型的调度通常不利于实时应用。如果需要，TI-RTOS内核支持使用Tasks进行时间分片调度。

其他关键术语

线程安全：如果一段代码以确保多个线程同时正确访问（读/写）的方式操作共享数据结构，则它是线程安全的。请注意，线程安全不仅仅是RTOS问题（例如，修改同一内存的中断必须小心）。
阻塞：如果任务正在等待资源并且不消耗任何CPU，则该任务将被阻塞。例如，如果任务调用Task_sleep()或Semaphore_pend()（超时时间为非零且信号灯不可用），则该任务将被阻塞，并允许另一个线程运行。注意：在紧密的循环中旋转寄存器不会阻止…这是轮询。
裸机：不使用RTOS的应用程序的通用名称。

裸机与RTOS

让我们更仔细地研究典型的裸机应用。这些应用程序通常可以分为三个关键部分

初始化：初始化main()中的硬件和软件组件。
超级循环状态机：用于管理应用程序的代码。这些操作基于中断的结果（例如接收到SPI数据包或计时器到期）或轮询的结果。
ISR：由外设（例如UART），定时器或其他特定于设备的项目（例如，异常或多核通信）的中断执行的代码。这是这些关键部件的图示。

裸机程序应用有其使用场景。它们通常体积小，速度快，并且通过简单的应用程序相对容易理解。但是一旦需要更复杂的逻辑，RTOS就开始发光。

让我们看一下裸机应用程序与最小RTOS应用程序（然后与更传统的RTOS应用程序）的比较。如您所见，在裸机应用程序和最小RTOS应用程序之间，我们之前讨论的三个关键部分（init，super-loop和ISR）基本相同。但是，使用最小的RTOS应用程序，您现在可以迈向更复杂的应用程序，该应用程序允许多个开发人员添加其内容，而无需处理潜在的易碎超级循环。

RTOS组件

这是RTOS的一些主要组件。 SimpleLink SDK为TI-RTOS和FreeRTOS提供了所有这些功能。

调度程序：抢占式调度程序，可确保最高优先级的线程正在运行。
通信机制：信号量，消息队列，队列等
临界区机制：互斥锁，门，锁等
计时服务：时钟，计时器等
电源管理：对于低功耗设备，电源管理通常是RTOS的一部分，因为它知道设备的状态。
内存管理：可变大小的堆，固定大小的堆等。
外围驱动器：UART，SPI，I2C等
协议栈：BLE，WiFi等
文件系统：FatFs等
设备管理：异常处理，引导等

SimpleLink SDK中的POSIX支持

POSIX是用于操作系统兼容性的IEEE工业API标准。 SimpleLink SDK同时具有TI-RTOS和FreeRTOS支持。但是，在这两种RTOS的基础上，它还提供POSIX支持。这允许应用程序独立于底层RTOS。

SimpleLink SDK中的POSIX API是基础RTOS之上的一个小垫片。创建POSIX Pthread时，将创建基础的TI-RTOS（或FreeRTOS）任务。同样，当创建POSIX Pthread信号量时，也会创建基础的TI-RTOS（或FreeRTOS）信号量。

POSIX支持的一个不错的功能是能够从Web上获取基于POSIX的代码并快速使它开始工作的能力。

有关SimpleLink SDK中POSIX支持的详细说明，请参阅 POSIX Overview Workshop。

NOTE: POSIX 不是 RTOS.

它是OS兼容性层，允许应用程序在操作系统之间轻松移植。

RTOS线程通信

所有的RTOS都提供标准的通信机制，例如信号量，互斥量，消息队列，链接列表等。让我们仔细看看其中的一些...

信号

信号量允许资源管理。任务可以在sem_wait()上阻塞，直到资源可用为止（通过sem_post()）。常见的用例是Hwi接收数据并发布信号量，以便任务可以对其进行处理。这是所希望的，因为它使中断的持续时间最小化。

大多数RTOS支持二进制和计数信号量。

消息队列

消息队列对于在线程之间发送数据很有用。消息队列可以配置为发送/接收任何大小的用户定义消息。在这里，一个任务正在向另一个任务发送消息：

当您要将特定功能集中到单个任务中时，消息队列很有用。所有其他线程可以将消息发送到集中式任务进行处理。消息队列以线程安全的方式处理消息。

请注意，SimpleLink SDK的POSIX支持层中的消息队列建立在TI-RTOS中的邮箱和FreeRTOS中的队列之上。

执行

让我们来看一个抢占式调度程序。假设在main（）中创建了以下线程：

ISRX：中断服务程序
MidA：首先在main()中创建，优先级4
MidB：在main())中创建第二个，优先级为4
High：在main()中以优先级8创建最后一个

让我们看下面的执行图，并讨论正在发生的事情。

一旦内核的调度程序启动（在本例中为main()中的BIOS_start()），所有任务就可以运行了，但是由于它具有最高的优先级并且可以运行，因此它是第一个运行最高的任务（高）。这是对上图中提到的一些关键过渡点的描述。

ISRX断言，因此它将抢占所有任务。高现在处于抢占状态。
一旦ISRX完成，High将再次开始运行，直到在Task_sleep()（或某些阻止API）上被阻止为止。现在MidA可以运行了。
MidA一直运行到遇到阻塞调用为止（例如Semaphore_pend()）。现在MidB可以运行了。
MidB一直运行到High解除阻止（例如Task_sleep()过期）。 MidB现在被抢占。
High运行直到ISRX被声明并抢占High。注意：现在有两项任务被抢占。
MidA准备就绪（例如ISRX发布了被阻止的信号量）。由于有更高优先级的线程正在运行，因此MidA无法运行。
ISRX完成，因此High再次运行，然后再次阻塞，因此MidB再次运行直到阻塞。由于没有更高优先级的任务在运行，因此MidA现在可以运行。注意：自MidB准备就绪以来，自MidB运行以来，MidA必须等到MidB完成之后。
MidA块，现在没有线程在运行或准备运行，所以Idle最终运行到...
MidB解锁并运行。

以上所有上下文切换都是由RTOS中的调度程序管理的。

TI-RTOS基础概念