一文彻底搞清楚嵌入式中的操作系统

程序员Feri一名12年+的程序员,做过开发带过团队创过业,擅长Java、鸿蒙、嵌入式、人工智能等开发,专注于程序员成长的那点儿事,希望在成长的路上有你相伴！君志所向,一往无前！

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1.裸机开发

裸机开发（Bare-Metal Development）特指在无操作系统（OS）或中间件支持的条件下，直接面向硬件寄存器进行底层编程的开发范式。其核心特征体现在：

• 硬件直控架构：开发者需直接操作：

  • CPU指令集（如ARM Thumb/Thumb-2指令）

  • 内存映射I/O（MMIO）寄存器

  • 中断向量表（IVT）配置

• 资源管理自主性：

  • 需手动实现堆栈分配（Stack/Heap管理）

  • 外设驱动开发（如UART、SPI、I2C协议实现）

  • 时钟树配置（PLL倍频、分频器设置）

• 典型应用场景：

  • 8/16位MCU开发（如8051、PIC系列）

  • 时间关键型控制（电机PID控制环）

  • 超低功耗设备（穿戴式医疗传感器）

2. 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）。

• （1）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。

• （2）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。

• （3）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。

3.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。

4.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 （1）对中断和内部异常的处理 （2）对安全相关的事件的处理 （3）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

好啦，就到这里吧！