FreeRTOS学习笔记_操作系统介绍

犀利的毛毛虫 发布于 2025-03-07 230 次阅读

什么是裸机开发

裸机开发指的是在没有操作系统（OS）或者其他高级软件支持的情况下，直接在裸机硬件上进行软件开发的过程。在裸机开发中，开发者需要直接面对硬件层面的操作和控制，亲自管理CPU、内存以及I/O资源，而不依赖于任何操作系统提供的抽象层或者服务。

我们前面学习的STM32单片机代码都属于裸机开发。

什么是操作系统

一个计算机系统可以大致分为三个部分：硬件（Hardware），操作系统（operating system），应用程序（application programs）。

  • 硬件包含了芯片，存储空间，输入输出等设备为整个系统提供了基础的计算资源。
  • 操作系统是一个控制程序，作为硬件和应用程序之间的桥梁，主要是和硬件打交道，负责协调分配计算资源和内存资源给不同的应用程序使用，并防止系统出现故障。面对来自不同应用程序的大量且互相竞争的资源请求，操作系统通过一个调度算法和内存管理算法尽可能把资源公平且有效率地分配给不同的程序。
  • 应用程序则通过调用操作系统提供的API接口获得相应资源完成指定的任务。

操作系统从整体上分为两大类:通用操作系统和实时操作系统。

1.通用操作系统

    通用操作系统包括Linux，Windows，MACOS等主流的操作系统。这些操作系统大家每天都在使用，功能也十分强大，只是它们有时为了保障系统的流畅运行，就不能保证每个程序都能实时响应，在易用性和实时性之间有所取舍。而且单片机有限的片上资源也不足以支撑通用操作系统的运行。

    2.实时操作系统

      实时操作系统（RTOS-Real Time Operating System）中实时（Real Time）指的是任务（Task）或者说实现一个功能的线程（Thread）必须在给定的时间(Deadline)内完成。

      人们总有种误解认为如果能堆砌更多的处理器核心数目，更高的处理器频率，更大的内存，更快的总线速度系统就一定能达到实时性。然而事与愿违强大的计算能力并不能保证系统的实时性。举一个简单的例子比如汽车中的安全气囊，在传感器检测到汽车发生碰撞后，安全气囊需要在30ms内完全打开，不然司机和乘客的人身安全将受到极大的威胁。倘若车载ECU有很强大的计算能力，但是如果因为要执行其他复杂计算任务或者任务调度的问题导致对汽车异常状态的监测和安全气囊的响应时间超过了规定的时间，系统实时性将无法得到保障从而导致系统失效和人员伤亡，这将会是非常严重的问题。

      为了保障这些实时任务能在给定的时间内完成，需要一个实时系统对这些任务进行调度和管理。一个实时操作系统能尽力保障每个任务的运行时间在规定时间内完成，这包括

      • 对中断和内部异常的处理
      • 对安全相关的事件的处理
      • 任务调度机制等

      正所谓术业有专攻，在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，从而更好地保证系统的实时性和可靠性。

      目前比较流行的实时操作系统包括黑莓QNX，FreeRTOS，uCOS，RT-Thread等

      • FreeRTOS简介

      RTOS(实时操作系统)是指一类系统，如 FreeRTOS，uC/OS，RTX，RT-Thread 等，都是 RTOS 类操作系统。

      FreeRTOS是所有实时操作系统中最受欢迎的一款.

      • FreeRTOS发展历史

      FreeRTOS 由美国的 Richard Barry 于 2003 年发布。

      FreeRTOS 于 2017 年被亚马逊收购，改名为 AWS FreeRTOS。

      • FreeRTOS优势

      FreeRTOS 是市场领先的面向微控制器和小型微处理器的实时操作系统 (RTOS)，与世界领先的芯片公司合作开发，现在每 170 秒下载一次。

      FreeRTOS 通过 MIT 开源许可免费分发，包括一个内核和一组不断丰富的 IoT 库，适用于所有行业领域。FreeRTOS 的构建突出可靠性和易用性。

      FreeRTOS是一款受欢迎、广泛应用于嵌入式系统的RTOS，其开源、轻量级、可移植的特点使其成为许多嵌入式开发者的首选，主要优势如下：

      • 开源和免费：FreeRTOS是一款开源的RTOS，采用MIT许可证发布，可以免费使用、修改和分发。
      • 轻量级设计：FreeRTOS注重轻量级设计，适用于资源受限的嵌入式系统，不占用过多内存和处理器资源。
      • 广泛应用：FreeRTOS在嵌入式领域得到广泛应用，包括工业自动化、医疗设备、消费电子产品、汽车电子等。
      • 多平台支持：FreeRTOS的设计注重可移植性，可以轻松地移植到不同的硬件平台，支持多种处理器架构。
      • 丰富的功能：提供了多任务调度、任务通信、同步等功能，适用于复杂的嵌入式应用场景。
        • FreeRTOS特点

      官网：https://freertos.org/，并且支持中文。

      • 任务调度：FreeRTOS通过任务调度器管理多个任务，支持不同优先级的任务，实现任务的有序执行。
      • 任务通信和同步：提供了队列、信号量等机制，支持任务之间的通信和同步，确保数据的安全传递。
      • 内存管理：提供简单的内存管理机制，适用于嵌入式环境，有效利用有限的内存资源。
      • 定时器和中断处理：支持定时器功能，能够处理中断，提供了可靠的实时性能。
      • 开发社区：拥有庞大的用户社区，开发者可以在社区中获取支持、解决问题，并分享经验。

      可移植性：设计注重可移植性，可以轻松地移植到不同的硬件平台，提高了代码的重用性。