蚊章汇 - Zhu Tianlong
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description: Zhu Tianlong
items: 一种新的开源嵌入式操作系统
items: 使用 RT-Thread 实时操作系统驱动你的硬件

一种新的开源嵌入式操作系统
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date: 2022-05-06T21:19:00+08:00
description: RT-Thread Smart 致力于物联网和边缘计算领域的开源。目前对 嵌入式操作系统 有巨大的需求，你建立的操作系统最好是开源的。RT-Thread 项目的研发团队花了两年时间，研发出了该项目的最新成果：RT-Thread Smart。这是一款微内核的操作系统，主要针对中高端的处理器，如具有内存管理单元（MMU）的 RISC-V 或 Arm Cortex-A，为嵌入式领域的所有行业提供了一个具有竞争力的、基于 POSIX 的软件平台。谁需要 RT-Thread Smart?RT-Thread Smart 是一款专业的、高性能的微内核操作系统，用于实时应用。它为所有市场的嵌入式设备提供了开源基础，如安全（IP 摄像头）、工业控制、车载设备、消费电子及其他嵌入式科技应用，可谓一切场景。它的意义在于：不像传统的物联网操作系统，一个微内核的操作系统可以填补传统实时操作系统 RTOS 和相对大型的操作系统如 Linux 之间的空白，实现实时性能、成本、安全、启动速度等等各方面之间的最佳平衡。RT-Thread Smart 的架构RT-Thread Smart 通过 MMU 和系统调用将系统分割为内核模式和用户模式，并为每种模式区分了地址空间（一个 32 位系统可以提供 4G 地址空间）。（RT-Thread, CC BY-SA 4.0）RT-Thread Smart 内核包括平台的基础功能，并支持定制化。RT-Thread Smart 的用户应用环境使用 musl libc 来提供 POSIX 接口调用和 C 语言的运行时支持。它也继承了原始的 RT-Thread 生态系统，使用 SCons 或者其他编译工具如 Autotools、Makefile、CMake 等等来支持开发，以及 RT-Thread 开箱即用的在线软件包（撰写本文时超过 342 个）。你甚至可以将 Linux 应用程序（如 wget/cURL、BusyBox、OpenSSL 和 Simple DirectMedia Layer）移植到你的平台。压缩的 RT-Thread Smart 内核仅 217 KB，搭配一个 127 KB 的根文件系统。大约 2 MB的存储占用。包括了对文件系统、网络协议栈、多媒体的完整支持。RT-Thread 只需要 3 到 5 秒完成启动，而在不运行其他功能组件时，RT-Thread Smart 需要的启动及准备时间不到 500ms。通过其集成的 Persimmon 用户界面（UI）组件，RT-Thread Smart 从上电到运行 UI 需要大约 1 秒。换句话说，这是一个非常轻巧快速的系统。当然，“实时”不是指启动，而是指系统随着时间推进而表现出的一致性。对于 RT-Thread ，实时性能需要优先考虑，中断时延小于 1μs，满足大部分实时性要求严格的场景需求。RT-Thread Smart 和 RT-Thread你可能想知道 RT-Thread Smart 和 RT-Thread 之间的不同。简单来说， RT-Thread Smart 是一个基于 RT-Thread RTOS 的操作系统，但它整合了用户态的处理过程。RT-Smart 的内核部分本质上是 RT-Thread RTOS，它在虚拟地址上运行，增加了进程管理，使用进程间通信机制（IPC）、虚拟内存/地址空间管理、ELF 加载器等等，以上特性全部在 RT-Thread RTOS 内实现，当这些组件被禁用时，RT-Smart 会回归 RT-Thread RTOS。以下是对比： RT-ThreadRT-Thread Smart支持芯片Cortex-M/R、RISC-V RV32IMAC（以及类似）、Cortex-A MPUCortex-A 等具有 MMU 的 MPU编译内核和应用都编译到一个镜像内核和应用可以被分开编译和运行存储使用线性地址空间（即使有 MMU），使用物理地址的虚拟寻址运行在内核占用超过 1GB 的 32 位操作系统，拥有完整 4G 地址空间的用户态进程彼此隔离，外设驱动程序必须通过虚拟地址访问外设运行错误当一个应用程序失败时，整个系统就会崩溃当应用程序失败时，它不会影响内核和其他进程的执行运行模式多线程模型多进程模型（进程内支持多线程，内核线程由内核支持）用户模型单用户模型单用户模型APIRT-Thread API、POSIX PSE52RT-Thread API（内核态和用户态），以及完整的 POSIX API实时性抢占式硬实时系统抢占式硬实时系统资源使用非常小相对小调试通常需要模拟器调试支持 GDB 调试，不需要模拟器RT-Thread RTOS 非常紧凑，它的所有应用和子系统都编译到镜像中，多线程应用运行并分享相同的地址空间。RT-Thread Smart…

使用 RT-Thread 实时操作系统驱动你的硬件
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date: 2020-08-15T14:57:54+08:00
description: 编程驱动一个微处理器芯片是相当有难度的，但在嵌入式系统开发上，实时操作系统可以为你解决很多此类的困难。从通用计算的角度，操作系统是提供计算机基本功能的一组软件。操作系统保证了计算机硬件可以探测并响应外围器件（如键盘、屏幕、移动设备、打印机等），并管理内存空间和外部存储空间。虽然一个 CPU 核心同一时间只能运行单个线程，但现代操作系统可以使多个程序表现的像是在同时运行。每一个任务执行的如此之短，一系列任务切换的如此之快，以至于看起来多个任务像是在并行进行。这一切都是由一个叫做 调度器 的子进程来控制的。操作系统通常是为计算机准备的，安装在硬盘上，管理计算机所要执行的任务。为什么实时操作系统对嵌入式系统而言不可或缺我曾经在 2008 年接触过嵌入式软件，那时候我还是一名学生，正在学习 MCS-51 微处理器编程。因为我的主修专业是计算机科学，我在其它课程中的所有程序都是在 PC 上执行的。为微处理器芯片编程是完全不同的体验。人生中第一次，我看到我的程序在裸板上运行，即使到现在我仍然记得，在我看到自己人生中第一个走马灯程序成功运行时的那种兴奋和激动。但那种兴奋转瞬即逝。随着为裸板写出越来越多的程序，我遇到了越来越多的问题。这种沮丧并不是我独有的。直接为芯片写程序很困难，这也是 PC 要运行操作系统的很重要的原因。不幸的是，微处理器芯片（或嵌入式系统）通常是没有操作系统的，它们只能采用“硬编码”的方式编程，没有操作系统帮助你管理代码的运行。在以“硬编码”的方式为处理芯片编写代码的时候，可能会遇到下列问题：并发在裸板上是没有管理程序运行的现成守护进程的。嵌入式系统软件中，无可避免的要把所有的逻辑功能放在一个巨大的 while (1) 循环中。每个功能可能包含一个或多个延时函数。CPU 在运行延时函数的时候是顺序执行的，没有任何办法跨越一个不必要的延时。正因如此，运行事务的复位操作只能是等待。最终结果就是很多的 CPU 处理时间浪费在空循环上，这对任务的并发非常不利。模块化从软件工程的角度，高內聚低耦合原则在软件开发过程中被不厌其烦的频频强调，但是嵌入式软件的不同模块之间常常是重度耦合的，很多功能都集中在一个巨大的 while (1) 循环中，很难切分为模块。设计低耦合软件在编程上只是繁琐一些，但在嵌入式系统上，要低耦合就难以编写比较大型的软件。与此同时，如果使用了看门狗定时器，程序员还得在调用延时函数时倍加小心。如果延时时间太长，主程序没有得到及时“喂狗”的时机，那么看门狗将在程序运行过程中被触发。嵌入式系统软件开发过程中，需要考虑的东西太多了，即便是个简单的延时函数，都不能掉以轻心。软件越复杂，就越需要细心。想象一下，试图将这一系列具有精细时间关系的交互功能拆分为模块会怎么样。软件生态很多高级的软件组件依赖于其所基于的底层操作系统的实现。举个自身的例子，我曾开发过一个基于 FreeModbus 的开源项目，原计划将它移植到多种平台上，包括裸板。但与适应不同操作系统的便利性相比，有些功能过于复杂，无法在所有裸机板上实现。更糟糕的是，很多硬件平台因为缺乏一致性，只能各自从头做起。直至现在，我的 Modbus 栈仍然不支持在裸板上运行。很多像 Realtek、TI 和 MediaTek 的大厂，所提供的 WiFi 软件开发工具只能在操作系统上运行，且他们不公开固件源码，所以在裸板上根本没法使用这些工具。实时性有些应用领域对实时性有要求，比如有些场景中，必须在特定的时间触发特定的软件操作。在工业控制场景，机器实体控制过程中，机械部件必须以确定的时间和确定的顺序执行动作。如果不能保证控制系统的实时性，整个机器可能出现功能异常，甚至危及工人生命。在裸板平台，所有的功能都塞在一个巨大的 while (1) 循环中，实时性无从保证。重用性重用性依赖于模块化。没谁愿意翻来覆去做一成不变的事，对程序员而言更是如此。这不单单是浪费时间，更要命的是这使得代码的维护异常复杂。尤其是，因为功能的实现依赖于底层的硬件，使用了不同芯片的不同硬件平台上，同样的功能必须适配不同的硬件平台。这种情况下，重新发明轮子是无法避免的。实时操作系统的优势幸运的是，现在有针对各种微处理器芯片的操作系统，它们被称为实时操作系统（RTOS），和大多数操作系统一样，它们拥有调度器，保证代码以可预见的顺序运行。我是在 2010 年初次在裸板上使用实时操作系统。那时候，STM32 系列微处理器（MCU）开始流行，因为这种微处理器性能强大、功能丰富，很多人在上面跑操作系统。我使用的是 RT-Thread 操作系统，有很多基于它的现成组件可用。它使用的是 Apache 2.0 许可，和其它操作系统相比，我觉得这个很舒心。我已经基于它作为平台从事开发工作 10 年了。使用实时操作系统为裸板编程，…