開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備可能比許多開(kāi)發(fā)人員或公司所設(shè)想的更具挑戰(zhàn)性。將嵌入式系統(tǒng)連接至云端極大地增加了系統(tǒng)的時(shí)序復(fù)雜性。時(shí)序復(fù)雜性的增加意味著開(kāi)發(fā)人員需要一種更好的方法，用以管理軟件何時(shí)應(yīng)該運(yùn)行什么代碼。要避免編寫(xiě)自定義調(diào)度程序或處理裸機(jī)時(shí)序，最佳方法是使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 來(lái)管理時(shí)序復(fù)雜性。
目前，使用 RTOS 的一項(xiàng)挑戰(zhàn)在于許多開(kāi)發(fā)人員習(xí)慣于沒(méi)有操作系統(tǒng) (OS) 的裸機(jī)環(huán)境，因而為特定應(yīng)用選擇合適的 RTOS 難度頗大。對(duì) RTOS 市場(chǎng)的快速網(wǎng)絡(luò)調(diào)查表明，市面上共有百余種 RTOS 可供開(kāi)發(fā)人員使用，從開(kāi)源系統(tǒng)到經(jīng)認(rèn)證的商業(yè) RTOS。那么，該如何選擇 RTOS 并開(kāi)始使用呢？
本文將闡示如何評(píng)估最適合應(yīng)用的 RTOS，并介紹支持 RTOS 的 STMicroelectronics 和 Renesas 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
RTOS 選擇的考慮因素
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)人員構(gòu)建應(yīng)用程序代碼的基礎(chǔ)。為確保應(yīng)用基礎(chǔ)牢固且能經(jīng)受考驗(yàn)，選擇合適的 RTOS 至關(guān)重要。不過(guò)在多數(shù)情況下，RTOS 選擇僅依據(jù)單一參數(shù)：成本。
雖然成本是一個(gè)重要的考慮因素，但不應(yīng)該是唯一的因素。如果開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)難以連接、實(shí)施系統(tǒng)或?qū)λx擇的 RTOS 缺乏支持，即便花費(fèi)十倍于商業(yè) RTOS 的成本也是很平常的，更不用說(shuō)因此而損失的項(xiàng)目時(shí)間。一般而言，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)為應(yīng)用選擇 RTOS 時(shí)應(yīng)考慮八個(gè)不同的類(lèi)別，其中包括：
法律責(zé)任與風(fēng)險(xiǎn)
性能
特性
成本
生態(tài)系統(tǒng)
中間件
RTOS 供應(yīng)商
工程偏好
每個(gè)類(lèi)別均可能包含幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估各款 RTOS 時(shí)應(yīng)參照這些標(biāo)準(zhǔn)。例如，在法律責(zé)任方面，團(tuán)隊(duì)可能需要考慮以下事項(xiàng)：
RTOS 侵權(quán)責(zé)任
賠償
保修
需要從法律角度審查 RTOS
在性能方面，開(kāi)發(fā)人員可能需要考慮以下事項(xiàng)：
可執(zhí)行內(nèi)存占用
RAM 占用
最高的確定性
運(yùn)行時(shí)效率
開(kāi)發(fā)和執(zhí)行團(tuán)隊(duì)檢查各個(gè)主要類(lèi)別，確定用于評(píng)估 RTOS 的標(biāo)準(zhǔn)。一旦確定了標(biāo)準(zhǔn)，就可以使用 Kepner-Tregoe (KT) 矩陣來(lái)評(píng)估幾種不同的 RTOS。這種合理的決策模型有助于收集、優(yōu)先排序和評(píng)估信息，且側(cè)重于評(píng)估和確定風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)先級(jí)，以期消除決策過(guò)程中的個(gè)人偏見(jiàn)，進(jìn)而作出最佳選擇，同時(shí)將負(fù)面影響降至最低。下面將詳細(xì)說(shuō)明如何使用 KT 矩陣來(lái)選擇 RTOS。
使用 KT 矩陣選擇 RTOS
用于 RTOS 選擇的 KT 矩陣如圖 1 和圖 2 所示。整體構(gòu)想是，確定每個(gè)選擇類(lèi)別的選擇標(biāo)準(zhǔn)并在一列中逐一羅列。為各標(biāo)準(zhǔn)分別確定權(quán)重，并按重要性對(duì)權(quán)重賦值，從 1 到 5，其中 5 代表至關(guān)重要（如成本），1 表示不重要（如法律責(zé)任）。然后團(tuán)隊(duì)各成員就各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每款待評(píng)估 RTOS 的重要性進(jìn)行排名，并將結(jié)果逐列填入矩陣中，再對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加權(quán)、求和，進(jìn)而生成無(wú)偏見(jiàn)的數(shù)值結(jié)果。具有最高數(shù)值的 RTOS 則是最符合標(biāo)準(zhǔn)的 RTOS。
圖 1：用于 RTOS 選擇的 KT 矩陣上半部分，包括對(duì)責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)、RTOS 性能、特性和成本的評(píng)估。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）
圖 2：用于 RTOS 選擇的 KT 矩陣下半部分，包括對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、中間件、供應(yīng)商和業(yè)務(wù)的評(píng)估。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group）
圖 1 和圖 2 中示例的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量多，涵蓋面廣，可能超出了大部分開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)所設(shè)想的評(píng)估范圍，而只需將權(quán)重設(shè)置為 0 或隱藏電子表格相應(yīng)的行，即可輕松刪減標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量。
用于著手 RTOS 開(kāi)發(fā)的平臺(tái)
開(kāi)發(fā)人員認(rèn)為較難評(píng)估 RTOS 的一個(gè)領(lǐng)域，可能是確定其是否滿(mǎn)足性能和功能的需求。除非開(kāi)發(fā)人員深入評(píng)估，開(kāi)始使用該 RTOS 卻使他們陷入困境，否則多數(shù)情況下無(wú)從知曉。事實(shí)證明，一種簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的 RTOS 評(píng)估和測(cè)試方法是利用支持 RTOS 的現(xiàn)有開(kāi)發(fā)平臺(tái)。下面我們將了解一些支持常用開(kāi)源 FreeRTOS 和 Express Logic 的 ThreadX 操作系統(tǒng)的平臺(tái)。
首先介紹的是 STMicroelectronics 的 STM32Cube 平臺(tái)。STM32Cube 平臺(tái)支持 FreeRTOS，屬于 STMicroelectronics 的 STM32CubeMx 和 STM32CubeIDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境的一部分。這些工具可讓開(kāi)發(fā)人員方便地啟用 FreeRTOS，他們只需選中 FreeRTOS 框，然后使用 FreeRTOS 配置工具來(lái)設(shè)置所有配置值即可。因此開(kāi)發(fā)人員能夠非常快速地著手運(yùn)行 FreeRTOS，以便開(kāi)始評(píng)估其功能和性能特點(diǎn)。
在 STMicroelectronics 的工具鏈中，有多種不同的開(kāi)發(fā)板可供選擇。多年來(lái)，一款久經(jīng)考驗(yàn)的開(kāi)發(fā)板一直深受青睞，STM32F429 Discovery 板 (STM32F429I-DISC1)（圖 3）。
STM32F429 采用 Arm? Cortex?-M4 處理器，時(shí)鐘速度高達(dá) 168 MHz。該微控制器支持 2 MB 的閃存和 256 KB 的 SRAM，代碼和內(nèi)存足以用于高級(jí)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)板還包括 LCD、數(shù)個(gè) LED 和可擴(kuò)展的 I/O。
圖 3：STM32F429I Discovery 開(kāi)發(fā)板成本低廉，采用 Arm Cortex-M4 處理器，可為開(kāi)發(fā)人員提供充分的處理能力以評(píng)估 RTOS。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
若基于 RTOS 的物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備還需執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)，則開(kāi)發(fā)人員更適合選用 STM32F7 Discovery 板 (STM32F746G-DISCO)（圖 4）。STM32F7 Discovery 板基于 Arm Cortex-M7 處理器，帶緩存，時(shí)鐘速度高達(dá) 216 MHz，具有 1 MB 的閃存和 340 KB 的 SRAM。此外，該開(kāi)發(fā)板還包括 4.3 英寸 480 x 272 像素顯示屏、以太網(wǎng)、SD 插槽、USB、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器連接等。
圖 4：STM32F746G Discovery 開(kāi)發(fā)板成本低廉，采用 Arm Cortex-M7 處理器。開(kāi)發(fā)人員不僅可用于評(píng)估 RTOS，還可評(píng)估物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備上所需使用的任何機(jī)器學(xué)習(xí)接口。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
最后介紹的一款開(kāi)發(fā)板是 STM32L0 Nucleo 板 (NUCLEO-L073RZ)（圖 5）。STM32L0 Nucleo 板基于 Arm Cortex-M0+，旨在實(shí)現(xiàn)最低能耗，非常適合電池供電的低功耗物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備。STM32L0 微控制器的時(shí)鐘速度高達(dá) 24 MHz，具有 192 KB 的閃存和 20 KB 的 SRAM。該開(kāi)發(fā)板的特性可滿(mǎn)足 RTOS 運(yùn)行的最低需求，組件很簡(jiǎn)單，只包括用戶(hù)開(kāi)關(guān)和 LED。
圖 5：NUCLEO-L073RZ STM32L0 開(kāi)發(fā)板基于 Arm Cortex-M0+ 處理器，旨在為低功耗設(shè)備提供高性能。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
接下來(lái)介紹的是 Renesas Synergy? 平臺(tái)。在嵌入式行業(yè)中，該平臺(tái)的獨(dú)特之處在于附帶豐富的第三方軟件和各供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)工具。
例如，如果開(kāi)發(fā)人員使用 STMicroelectronics 開(kāi)發(fā)板，并希望將 Express Logic 的 ThreadX RTOS 與 IAR Systems 的 Embedded Workbench 編譯器和開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)合使用，那么編譯器需要使用 IAR 產(chǎn)品，RTOS 需使用 Express Logic 產(chǎn)品，就必須分別購(gòu)買(mǎi)使用許可證。但是，開(kāi)發(fā)人員只需購(gòu)買(mǎi) Renesas Synergy 平臺(tái)中的某個(gè)微控制器，就能免費(fèi)使用這些工具和 RTOS 以及其他中間件。
若開(kāi)發(fā)人員希望在高端處理器上測(cè)試 ThreadX，Renesas Synergy 的 SK-S7G2 開(kāi)發(fā)板 (YSSKS7G2E30) 不失為絕佳的選擇（圖 6）。SK-S7G2 基于 Arm Cortex-M4 處理器，時(shí)鐘速度達(dá) 240 MHz，具有 3 MB 的閃存和 640 KB 的 RAM。該開(kāi)發(fā)板組件豐富，包括 LCD、大量 LED、I/O 擴(kuò)展、CAN、PMOD 擴(kuò)展，可輕松訪(fǎng)問(wèn)串口和附加 I/O。
圖 6：Renesas Synergy 的 SK-S7G2 開(kāi)發(fā)板附帶商用開(kāi)發(fā)工具，包括 Express Logic 的 ThreadX RTOS。（圖片來(lái)源：Renesas）
另一款可用于測(cè)試 ThreadX 的開(kāi)發(fā)板是 Renesas Synergy 的 TB-S5D5 (YSTBS5D5E10)（圖 7）。TB-S5D5 開(kāi)發(fā)板成本低廉，采用 Arm Cortex-M4 處理器，時(shí)鐘速度達(dá) 120 MHz，具有 1 MB 的閃存和 384 KB 的 SRAM。該開(kāi)發(fā)板的功能較少，從而能最大限度地降低成本，只包括用戶(hù)按鈕、電容式觸控和 LED。
圖 7：Renesas Synergy 的 TB-S5D5 開(kāi)發(fā)板為開(kāi)發(fā)人員提供 1 MB 的代碼閃存和 384 KB 的 SRAM，可用于測(cè)試 ThreadX。（圖片來(lái)源：Renesas）
對(duì)于開(kāi)發(fā)人員，尤其是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用感興趣的開(kāi)發(fā)人員，其他值得關(guān)注的選擇還有 Renesas Synergy 的 AE-Cloud1 物聯(lián)網(wǎng)套件 YSAECLOUD1（圖 8）和 Renesas Synergy 的 AE-Cloud2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)套件 YSAECLOUD2（圖 9）。
Synergy Cloud1 物聯(lián)網(wǎng)套件讓開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò) Wi-Fi 連接至云端，而 Cloud2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)套件則可通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接。這兩款開(kāi)發(fā)板均基于 S5D9 處理器，具有板載傳感器和 LED 可從云端進(jìn)行監(jiān)視和控制。此外，這兩款套件還附帶 ThreadX 等預(yù)裝軟件，因此開(kāi)發(fā)人員可使用自帶 RTOS 測(cè)試整個(gè)連接解決方案。（開(kāi)發(fā)人員可以此評(píng)估上述 KT 矩陣的中間件部分。）
圖 8：Renesas Synergy 的 AE-Cloud1 物聯(lián)網(wǎng)套件是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板，可通過(guò) Wi-Fi 連接至云端。該套件可以控制 LED、監(jiān)控來(lái)自 Amazon Web Services (AWS) 或 Microsoft Azure 等云服務(wù)提供商的傳感器值。（圖片來(lái)源：Renesas）
圖 9：Renesas Synergy 的 AE-Cloud2 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)套件是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)板，可通過(guò) Wi-Fi 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接至云端。該套件可以控制 LED、監(jiān)控來(lái)自 AWS 或 Azure 等云服務(wù)提供商的傳感器值。（圖片來(lái)源：Renesas）
關(guān)于上述平臺(tái)的一個(gè)重要注意事項(xiàng)：評(píng)估 RTOS 時(shí)，請(qǐng)確保執(zhí)行同環(huán)境比較。例如，若在時(shí)鐘速度達(dá) 168 MHz 的 STM32F429 Discovery 板上評(píng)估 FreeRTOS，則請(qǐng)確保使用相同的開(kāi)發(fā)板或時(shí)鐘速度相同的開(kāi)發(fā)板來(lái)評(píng)估其他 RTOS。
RTOS 的使用技巧與訣竅
每款 RTOS 都有各自的“技巧與訣竅”，但有幾條經(jīng)驗(yàn)法則可以普遍應(yīng)用于各款 RTOS：
靜態(tài)分配任務(wù)和 RTOS 對(duì)象。動(dòng)態(tài)分配任務(wù)和對(duì)象需要使用內(nèi)存分配程序 (malloc())，而這具有非確定性，可能會(huì)導(dǎo)致堆碎片問(wèn)題，從而導(dǎo)致性能變差，甚至在最壞的情況下導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
根據(jù)應(yīng)用需求更改默認(rèn)堆棧大小。對(duì)于多數(shù)任務(wù)而言，許多 RTOS 提供的默認(rèn)堆棧值過(guò)大，這會(huì)導(dǎo)致 RAM 浪費(fèi)。手動(dòng)配置默認(rèn)堆棧大小，但請(qǐng)務(wù)必根據(jù)任務(wù)的功能和需求調(diào)整各任務(wù)的堆棧大小。
從任務(wù)調(diào)用的函數(shù)必須可重入。從多個(gè)任務(wù)調(diào)用該函數(shù)時(shí)，若被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中斷，即可確保不存在損壞其他任務(wù)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。
盡量使用內(nèi)存塊池（如有）。內(nèi)存塊池是具有確定性行為的內(nèi)存池，可用于運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。該方法比使用 malloc() 更穩(wěn)妥，但多數(shù)開(kāi)源操作系統(tǒng)并不具備此內(nèi)存管理功能。
最大限度地減少應(yīng)用中使用的任務(wù)數(shù)。使用 RTOS 時(shí)，許多開(kāi)發(fā)人員喜歡創(chuàng)建大量任務(wù)，但是創(chuàng)建任務(wù)就需要任務(wù)控制塊及相關(guān)的獨(dú)立堆棧空間，因此創(chuàng)建不必要的任務(wù)會(huì)大幅減少可用內(nèi)存。
總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用促使嵌入式系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度相應(yīng)增加，因此為了幫助開(kāi)發(fā)人員克服這一挑戰(zhàn)并將復(fù)雜性進(jìn)行抽象化，使用 RTOS 已成為必要之舉。然而，訣竅不僅僅在于選擇 RTOS。每款 RTOS 都各有所長(zhǎng)，若選擇的 RTOS 與開(kāi)發(fā)人員的應(yīng)用需求不符，則可能會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力。
相反，開(kāi)發(fā)人員應(yīng)采取積極主動(dòng)的方法來(lái)選擇 RTOS，仔細(xì)評(píng)估各個(gè)不同方面，不光是 RTOS 本身的特性，還包括 RTOS 供應(yīng)商以及遇到問(wèn)題時(shí)可用的支持等外圍因素。一種有效方法則是使用 KT 矩陣仔細(xì)評(píng)估待選 RTOS，然后在完全支持該系統(tǒng)的微控制器平臺(tái)上運(yùn)行所選擇的 RTOS，以確保其適合應(yīng)用。
