单片机裸机 vs RTOS多线程

Posted 2022-04-05 strongerHuang

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编排 | strongerHuang

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很多初学者都是从裸机开始学起，不能明白裸机和操作系统的区别。甚至有不少人认为用中断就能代替多任务处理，你认同吗？

裸机系统

裸机系统通常分成轮询系统和前后台系统。

1、轮询系统

轮询系统即是在裸机编程的时候，先初始化好相关的硬件，然后让主程序在一个死循环里面不断循环，顺序地做各种事情，大概的伪代码具体如代码清单所示：

int main(void)

  /* 硬件相关初始化 */
  HardWareInit();

  /* 无限循环 */
  for (;;) 
    /* 处理事情 1 */
    DoSomething1();

    /* 处理事情 2 */
    DoSomethingg2();

    /* 处理事情 3 */
    DoSomethingg3();
  

轮询系统是一种非常简单的软件结构，通常只适用于那些只需要顺序执行代码且不需要外部事件来驱动的就能完成的事情。在代码清单 1-1 中，如果只是实现 LED 翻转，串口输出，液晶显示等这些操作，那么使用轮询系统将会非常完美。但是，如果加入了按键操作等需要检测外部信号的事件，用来模拟紧急报警，那么整个系统的实时响应能力就不会那么好了。

假设DoSomethingg3 是按键扫描，当外部按键被按下，相当于一个警报，这个时候，需要立马响 应 ， 并 做 紧 急 处 理 ， 而 这 个 时 候 程 序 刚 好 执 行 到 DoSomethingg1 ， 要 命 的 是DoSomethingg1 需要执行的时间比较久，久到按键释放之后都没有执行完毕，那么当执行到 DoSomethingg3 的时候就会丢失掉一次事件。足见，轮询系统只适合顺序执行的功能代码，当有外部事件驱动时，实时性就会降低。

2、前后台系统

相比轮询系统，前后台系统是在轮询系统的基础上加入了中断。外部事件的响应在中断里面完成，事件的处理还是回到轮询系统中完成，中断在这里我们称为前台， main 函数里面的无限循环我们称为后台，大概的伪代码见代码清单所示：

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)

  /* 硬件相关初始化 */
  HardWareInit();

  /* 无限循环 */
  for (;;) 
    if (flag1) 
      /* 处理事情 1 */
      DoSomething1();
    

    if (flag2) 
      /* 处理事情 2 */
      DoSomethingg2();
    

    if (flag3) 
      /* 处理事情 3 */
      DoSomethingg3();
    
  


void ISR1(void)

  /* 置位标志位 */
  flag1 = 1;
  /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
  如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
  DoSomething1();


void ISR2(void)

  /* 置位标志位 */
  flag2 = 2;

  /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
  如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
  DoSomething2();


void ISR3(void)

  /* 置位标志位 */
  flag3 = 1;
  /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
  如果事件处理时间比较长，在回到后台处理 */
  DoSomething3();

在顺序执行后台程序的时候，如果有中断来临，那么中断会打断后台程序的正常执行流，转而去执行中断服务程序，在中断服务程序里面标记事件，如果事件要处理的事情很简短，则可在中断服务程序里面处理，如果事件要处理的事情比较多，则返回到后台程序里面处理。

虽然事件的响应和处理是分开了，但是事件的处理还是在后台里面顺序执行的，但相比轮询系统，前后台系统确保了事件不会丢失，再加上中断具有可嵌套的功能，这可以大大的提高程序的实时响应能力。在大多数的中小型项目中，前后台系统运用的好，堪称有操作系统的效果。

多线程系统

相比前后台系统，多线程系统的事件响应也是在中断中完成的，但是事件的处理是在线程中完成的。在多线程系统中，线程跟中断一样，也具有优先级，优先级高的线程会被优先执行。

当一个紧急的事件在中断被标记之后，如果事件对应的线程的优先级足够高，就会立马得到响应。相比前后台系统，多线程系统的实时性又被提高了。

多线程系统大概的伪代码具体见代码清单所示：

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)

  /* 硬件相关初始化 */
  HardWareInit();

  /* OS 初始化 */
  RTOSInit();

  /* OS 启动，开始多线程调度，不再返回 */
  RTOSStart();


void ISR1(void)

  /* 置位标志位 */
  flag1 = 1;


void ISR2(void)

  /* 置位标志位 */
  flag2 = 2;


void ISR3(void)

  /* 置位标志位 */
  flag3 = 1;


void DoSomething1(void)

  /* 无限循环，不能返回 */
  for (;;) 
    /* 线程实体 */
    if (flag1) 

    
  


void DoSomething2(void)

  /* 无限循环，不能返回 */
  for (;;) 
    /* 线程实体 */
    if (flag2) 

    
  


void DoSomething3(void)

  /* 无限循环，不能返回 */
  for (;;) 
    /* 线程实体 */
    if (flag3) 

    
  

相比前后台系统中后台顺序执行的程序主体，在多线程系统中，根据程序的功能，我们把这个程序主体分割成一个个独立的，无限循环且不能返回的小程序，这个小程序我们称之为线程。

每个线程都是独立的，互不干扰的，且具备自身的优先级，它由操作系统调度管理。加入操作系统后，我们在编程的时候不需要精心地去设计程序的执行流，不用担心每个功能模块之间是否存在干扰。

加入了操作系统，我们的编程反而变得简单了。整个系统随之带来的额外开销就是操作系统占据的那一丁点的 FLASH 和 RAM。现如今，单片机的 FLASH 和 RAM 是越来越大，完全足以抵挡 RTOS 那点开销。

轮询、前后台和多线程系统软件模型区别：

最后，附上一个视频，用动画形象比喻裸机和RTOS的区别：

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