RTOS

学习了一下实时操作系统和MCU，理解加深中，RTOS它是一种专门设计用于在特定时间内完成特定功能，并对外部事件做出快速响应的计算机操作系统。

RTOS

• 本质：实时操作系统（Real-Time Operating system）在指定或确定的时间内执行的计算机任务，并对外部事件做出响应，多任务处理 特点：响应时间确定性 功能：任务调度，时间管理，任务管理，任务通信，稳定和实时 RTOS是专门针对实时应用设计的操作系统，优先级调度>处理实时任务 Linux是开源通用操作系统，时间片调度和优先级调度>处理通用任务 Windows是商业操作系统，时间片调度和优先级调度>处理通用任务
  • linux时间片轮换调度RR：操作系统为每个进程分配一个固定时间段（时间片），允许该进程在CPU上运行，当进程的时间片用完后如果还没有执行完，就会被置于就绪队列的末尾>避免某个进程长时间占用CPU
    • 就绪队列是操作系统用于管理就绪状态的重要数据结构
    • 系统管理进程的基本状态
      • 运行态
        • 进程正在CPU上执行，或者已经准备好立刻在CPU上执行
      • 就绪状态
        • 已经获得除了CPU以外的所有资源
          • 只要获得CPU就立刻执行，本质是进程等待CPU分配的一种状态
      • 阻塞等待态
        • 等待某个事件而不能继续执行
    • 系统管理进程的扩展状态
      • 新建状态
      • 终止状态
        • 进程执行完毕或者被终止，操作系统还没有完全释放资源和控制进程块
        • 需要父进程收集其退出状态
      • 挂起状态
        • 暂时停止执行
        • 保存其当前状态，，通过激活操作恢复执行
      • 僵尸态
    • Linux中的特殊进程状态状态
      • 不可中断休眠态
        • D
        • 等待I/O完成，不可中断
      • 可中断休眠态
        • S
        • 等待某个事件，等待过程可以被中断，被信号唤醒
      • 停止态
        • T
        • 收到SIGSTOP
      • 僵尸态
        • Z
        • 进程已经结束但没有被他的父进程收集退出状态
  • POSIX可移植操作系统接口
    • 可移植操作系统接口
      • API应用程序接口
    • 分类
      • POSIX.1核心标准，操作系统接口
      • POSIX.2规定API和工具
      • POSIX.3规定标准化Shell扩展
      • POSIX.规定网络编程相关API
      • 进程管理接口：exit,fork,wait 文件管理接口：open,close,read,write 目录管理接口： 网络通信接口：socket,bind,listen,accept 线程同步：pthread-create,pthread-join,pthread-mutex-lock 信号：signal,kill
  • MCU
    • 微控制器单片机组成
      • 中央处理器CPU
      • 随机存储器RAM
      • 只读存储器ROM
      • 中断系统，定时器计数器
      • 输入输出接口I/O
      • 集成到一块硅片上
        • 应用：家电控制，汽车，智能家居
    • 特点：体积小，接口多，低功耗，易于扩展（外设接口和总线多），高度集成，应用广泛
    • 工作原理
      • 通过内部的CPU对指令进行解码和执行，从而控制外部设备运行，通过I/O接口和外部设备进行型数据交换，通过中断系统响应外部事件，通过定时器和计数器实现定时和计数的功能
    • 各种系统
      • 时钟系统
        • 原理：由一个或者多个振荡器，分频器，计数器组成。振荡器产生原始时钟信号，这些信号通过分频器，AHB，APB总线分频因子和计数器组件进行分频，倍频和计数操作>产生CPU所需的各种时钟信号>控制工作速度和时序
        • 分类
          • 内部时钟
            • 内部振荡器精度不高
            • 内部低速时钟LSI（时钟源）
              • 频率低
                • 用于看门狗和RTC（时钟种类）
                  • RTC实时时钟，掉电后继续运行的定时器，提供日期和时间信息
            • 内部高速时钟HSI
              • 频率高
                • 系统时钟和PLL
                  • PLL（锁相环）是产生稳定频率的电路，用于时钟信号的倍频和分频
          • 外部时钟
            • 外部晶振精度高
              • 通过MCU的相关寄存器来选择合适的频率
            • 外部低速LSE
              • 32.768KHz，RTC用
            • 外部高速HSE
              • 4-16MHz系统时钟和PLL输入
        • 时钟源的选择差不多都是：2高加PLL
    • 各种存储
      • 闪存Flash Memory，不易丢失数据，掉电也不会丢失数据（RTC也是，ROM也是）
        • 可多次擦除和写入，适合长期储存
        • 高速读写，抗震（因为没有机械结构），可靠
        • 分类
          • NOR闪存：代码存储
          • NAND：数据存储
        • 应用：U盘，移动设备
      • RAM，容易丢失数据，掉电丢失
        • 读写速度快，适合临时存储
          • 读写概念
            • 读
              • CPU从存储器读取信息，将信息传输到内部数据总线，再由CPU取走该内容作为所需要的信息使用
            • 写
              • CPU将数据寄存器的内容放到数据总线上，然后向存储器发送“写”控制信号
      • ROM，不容易丢失数据，掉电不丢失
        • 读写速度快，适合临时存储
      • 存储器映射
        • 地址映射，将外设的内存地址映射到CPU的空间地址
    • 中断响应过程
      • 流程：中断发生，MCU暂停当前正在执行的任务，保存现场，然后跳转到中断处理函数（ISR）去处理中断，
      • 中断请求：响应中断
      • 中断检测：检测未处理的中断
      • 中断响应：置位优先级标志>清楚中断源标志>将当前的程序计数器压栈，保护现场后面才能回来>根据中断源进入相应中断程序入口>中断处理>中断返回（清除优先级标志，从断点地址返回程序）
    • 通信接口
      • SPI（Serial Peripheral Interface）串行外设接口
        • 高速，全双工，同步通信总线
        • 主从模式：一个主设备（通过时钟信号传输数据SCK），一个或者多个从设备
        • 应用：存储器，显示器
        • 编写驱动程序实现主设备和从设备之间的通信
      • I2C（集成电路总线）
        • 同步串行通信
        • 主从模式：主设备生产时钟信号SCL，多主多从
        • 应用：传感器模块，液晶显示屏
        • 驱动实现设备之间的通信
      • UART（通用异步收发传输器）
        • 异步串行通信接口，全双工
        • 多主从架构
        • 起始位+数据位+校验位+停止位，引脚传输数据发送（TX），接收（RX）
        • 应用：串口打印机，模块通信
        • 驱动实现设备间通信
• 在嵌入式软件中的应用步骤
  • 根据硬件平台和项目需求选择合适的RTOS
  • 初始化RTOS，启动代码中初始化RTOS相关的数据，时钟和定时器
  • 创建和配置任务
  • 实现任务间通信和同步
    • 通信机制
      • 信号量
      • 消息队列
      • 邮箱
  • 启动RTOS调度器
  • 放入嵌入式优点：提高系统的实时性和多核处理能力
    • 应用领域：汽车，嵌入式医疗
• 几种常见的RTOS
  • FreeRTOS
    • 迷你实时操作系统，轻量级操作系统
    • GPL，可移植，可剪裁，免费,小巧
      • 应用于：资源有限控制器
        • WIFI，蓝牙，
  • embOS
    • 快速响应，灵活性，省电
  • uC/OS
    • 由Micrium维护
    • 可移植，可剪裁，可配置
      • 应用：单片机，数字信号处理
• 资源管理
  • 内存管理
    • 动态内存分配malloc,calloc,realloc,free
    • 内存碎片：多个不连续的小的空闲碎片
    • 内存池：优化内存分配，和减少内存碎片
  • 信号量
    • 二值信号量最简单的信号量，只有2种状态：有效1无效0，通过获取（take）和释放（give）来同步执行
    • 计数信号量多个资源的可用性
  • 互斥锁
    • 保护共享资源，锁继承特性
  • 队列：任务间通信
    • 创建，销毁，发送消息（放入队尾），接收数据（队头取出）