基于RTOS的软件开发理论

引言：软件开发，大多数人依靠的是经验，缺乏理论，比如遇到问题知道怎样改可以修复问题，但不明白深层原因。有些阶段，选择高校的理论教程读读，比网红博主拼凑的技术总结，更能醍醐灌顶，提高水平。实践检验真理，但理论能指导实践。

1、RTOS的特点

操作系统是计算机中最重要的软件，类似管家，把不同的软件任务安排给硬件资源去执行。为保证服务质量，需要对任务进行合理安排，访问硬件也进行一定的安全维护，保证硬件资源不闲置，不争抢冲突，但允许合理的插队。

RTOS的专业的描述：
1、执行时间的可确定性是实时搡作系统的基本特性。采用合理的算法和策略，为多个任务合理地分配资源，以满足每个任务的实时性要求。
2、多任务抢占式是实时操作系统的基本特性。多个任务共同分享硬件系统资源，每个任务间彼此独立，根据任务的重要程度给任务分配不同的优先级，优先级越高的任务越容易得到 CPU 的使用权，保证任务的实时性和充分地使用硬件资源。
3、对稳定性和可靠性要求髙。

要成为老司机，首先要考驾照，学习如何开车，至于汽车本身各系统工作原理，内部构造暂且不用关注；能上路，在不同路况安全驾驶。达到一定水平了再去深究车的部件组成、故障排查，对驾驶习惯、汽车保养也具有参考价值的。

基于RTOS的软件开发，不仅要明白操作系统接口的作用，还要理解其组合的意义。本文是关于软件开发的理论，作为有一定RTOS基础的参考，授人以渔。

2、任务设计

嵌人式系统的设计都是从需求分析开始，在软件角度，对具体功能进行任务划分，是实时操作系统应用软件设计的关键。任务（task或thread）划分是否合理将直接影响软件设计的质量、执行效率和可扩展性。

2.1 任务的特性

“任务”的状态是动态变化的，简化就是有运行和等待，而且阻塞等待时必须的，更多状态可以参考操作系统基础。多个任务宏观上是并发运行，其实对单CPU是分时复用，每个任务运行时独立的占有系统资，这也导致任务间数据传输的异步性。

好比三口之家只有一个卫生间，多人分时使用，不需要三人就配三个卫生间，每人使用时完全享有卫生间的设施，其他人有需要时，得排队或者看家庭地位强迫插队。

在对一个具体的嵌人式系统进行任务划分时，不同的角度有不同的方案，一般先考虑需求指标和硬件资源限制。

实时性指标：在最坏的情况下，系统中对时间要求高的需求能否实现。
任务数目合理： 任务数目多，每个任务只实现单一功能，任务的设计简申；但任务的调度操作、任务之间的通信活动增加，资源开销大，运行效率低。一般按功能类型、时间要求合理地合并一些任务。
降低资源需求： 合理划分任务，减少任务之间的同步和通信需求，选择合适的数据结构，从而降低对硬件资源的需求。

2.2 任务划分的方法

为了使任务划分合理，通常采用以下方法。

2.2.1 设备依赖性任务

系统任务必定是为了实现某些功能，这个功能是主动执行，如读取信息、控制外设，还是被动执行，如接收按键事件。

根据这个特性，任务可分为“主动型”和“被动型”两种。主动型任务与其他任务通过通信机制向该任务发出执行请求执行，被动型任务通常是一个中断服务程序(ISR ) 和一个与之关联的任务。在这个基础上，也可以把多个同类型外设的检测合并到一个任务。

2.2.2 关键任务

“关键性”是指某种功能在系统中的重要性，如果该功能异常将会产生严重后果，这种关键任务必须优先得到运行机会，而且其检测事件、消息队列不能遗漏，特殊情况下控制时间也要及时响应。
这种任务得提高优先级来保证运行，而且其任务功能必须尽可能与其他功能剥离，独立成为一个任务，不能因为任务里面得其他功能阻塞或者异常，影响关键功能的实现。

2.2.3 紧迫任务

“紧迫性”是指某种功能必须在规定的时间内得到运行权(及时运行），这类功能有严格的实时性要求。
大多数紧迫任务是由异步事件触发的，这种紧迫任务安排在相应的中断服务中，或者优先级尽可能髙的任务。要达到“按时完成”的目的，必须使“紧迫任务”需要的执行时间尽可能短。尽可能剥离“不太紧迫”的操作，只剩下“必须立刻执行”的搡作，将被剥离的“不太紧迫”的操作另外封装为一个任务。

2.2.4 数据处理任务

用户应用程序中消耗机时最多的一般是各种数据处理单元，而且通常不只一个，它们分别为不同的功能服务，这些单元划分出来，分别包装成不同的任务。由于这类任务需要消耗较多机时，所以优先级必须较低。多个不同的数据处理任务时，可安排相同的优先级，采用时间片轮转方式运行。

2.2.5 触发条件相同的任务

如果若干功能由相同的事件触发，就可以将这些功能合并为一个任务，从而减少事件分发给多个任务的工作量。如检测到按键中断后要进行相应数据处理、界面显示、外设控制。在任务内部，各功能的执行顺序需要尽可能按规则设定，如果各个功能之间有因果关系，则按因果关系的顺序执行；如果各个功能之间完全独立，则按实时性要求的强弱顺序执行。

2.2.6 运行周期相同的任务

对于需要重复执行的操作，即具有周期性。这类功能组合在一起封装为一个任务，避免一个时间事件触发多个任务，省去事件分发搡作与它们之间的通信。

2.2.7 顺序操作任务

如果若干功能按固定顺序进行流水作业，相互之间完全没有"并发性"，尽量将这些功能组合为一个任务。

2.3 任务的可调度性分析

任务划分后，需要评估CPU占有率，以便确定这些任务是否可以在操作系统的调度下正常运行。简单的说就是计算在一定周期内，各任务运行的最长时间长和是否小于周期，也可以粗略确认最低优先级的任务（待机任务）是否有周期运行的机会，否则系统的正常运行可能难以保证。

类似生产流水线，如果某个环节超时，整个产线就没法持续运行。这种情况需要提高系统时钟频率或者换硬件方案，或者优化软件算法。

2.4 任务类型

任务设计是整个应用程序的基础，按任务的执行方式可以分为三类：单次执行类、周期性执行类和事件触发类。

2.4.1 单次执行的任务

这类任务创建后只执行一次，执行结束后即自行删除。优点一个功能运行完了，立刻销毁释放资源，但也正是这样