基于RTOS的软件开发理论

操作系统是计算机中最重要的软件，类似管家，把不同的软件任务安排给硬件资源去执行。为保证服务质量，需要对任务进行合理安排，访问硬件也进行一定的安全维护，保证硬件资源不闲置，不争抢冲突，但允许合理的插队。

RTOS的专业的描述：

1、执行时间的可确定性是实时操作系统的基本特性。采用合理的算法和策略，为多个任务合理地分配资源，以满足每个任务的实时性要求。

2、多任务抢占式是实时操作系统的基本特性。多个任务共同分享硬件系统资源，每个任务间彼此独立，根据任务的重要程度给任务分配不同的优先级，优先级越高的任务越容易得到 CPU 的使用权，保证任务的实时性和充分地使用硬件资源。

3、对稳定性和可靠性要求髙。

要成为老司机，首先要考驾*，学习如何开车，至于汽车本身各系统工作原理，内部构造暂且不用关注；能上路，在不同路况安全驾驶。达到一定水平了再去深究车的部件组成、故障排查。基于RTOS的软件开发，不仅要明白操作系统接口的作用，还要理解其组合的意义。

本文是关于软件开发的理论，作为有一定RTOS基础的参考，授人以渔。对任务、公共函数、中断服务的设计，以及行为同步、资源同步、数据通信的思想和方法进行说明，基本涵盖RTOS软件开发的全部理论。

嵌入式系统的设计都是从需求分析开始，在软件角度，对具体功能进行任务划分，是实时操作系统应用软件设计的关键。任务（task或thread）划分是否合理将直接影响软件设计的质量、执行效率和可扩展性。

“任务”的状态是动态变化的，简化就是有运行和等待，而且阻塞等待是必须的，更多状态可以参考操作系统基础。多个任务宏观上是并发运行，其实对单CPU是分时复用，每个任务运行时独立的占有系统资，这也导致任务间数据传输的异步性。

好比三口之家只有一个卫生间，多人分时使用，不需要三人就配三个卫生间，每人使用时完全享有卫生间的设施，其他人有需要时，得排队或者看家庭地位强迫插队。

在对一个具体的嵌入式系统进行任务划分时，不同的角度有不同的方案，一般先考虑需求指标和硬件资源限制。

实时性指标：在最坏的情况下，系统中对时间要求高的需求能否实现。

任务数目合理：任务数目多，每个任务只实现单一功能，任务的设计简单；但任务的调度操作、任务之间的通信活动增加，资源开销大，运行效率低。一般按功能类型、时间要求合理地合并一些任务。

降低资源需求：合理划分任务，减少任务之间的同步和通信需求，选择合适的数据结构，从而降低对硬件资源的需求。

为了使任务划分合理，通常采用以下方法。

系统任务必定是为了实现某些功能，这个功能是主动执行，如读取信息、控制外设，还是被动执行，如接收按键事件。

根据这个特性，任务可分为“主动型”和“被动型”两种。主动型任务与其他任务通过通信机制向该任务发出执行请求执行，被动型任务通常是一个中断服务程序(ISR) 和一个与之关联的任务。在这个基础上，也可以把多个同类型外设的检测合并到一个任务。

“关键性”是指某种功能在系统中的重要性，如果该功能异常将会产生严重后果，这种关键任务必须优先得到运行机会，而且其检测事件、消息队列不能遗漏，特殊情况下控制时间也要及时响应。这种任务得提高优先级来保证运行，而且其任务功能必须尽可能与其他功能剥离，独立成为一个任务，不能因为任务里面的其他功能阻塞或者异常，影响关键功能的实现。

“紧迫性”是指某种功能必须在规定的时间内得到运行权(及时运行），这类功能有严格的实时性要求。大多数紧迫任务是由异步事件触发的，这种紧迫任务安排在相应的中断服务中，或者优先级尽可能髙的任务。要达到“按时完成”的目的，必须使“紧迫任务”需要的执行时间尽可能短。尽可能剥离“不太紧迫”的操作，只剩下“必须立刻执行”的操作，将被剥离的“不太紧迫”的操作另外封装为一个任务。

用户应用程序中消耗机时最多的一般是各种数据处理单元，而且通常不只一个，它们分别为不同的功能服务，这些单元划分出来，分别包装成不同的任务。由于这类任务需要消耗较多机时，所以优先级必须较低。多个不同的数据处理任务时，可安排相同的优先级，采用时间片轮转方式运行。

如果若干功能由相同的事件触发，就可以将这些功能合并为一个任务，从而减少事件分发给多个任务的工作量。如检测到按键中断后要进行相应数据处理、界面显示、外设控制。在任务内部，各功能的执行顺序需要尽可能按规则设定，如果各个功能之间有因果关系，则按因果关系的顺序执行；如果各个功能之间完全独立，则按实时性要求的强弱顺序执行。

对于需要重复执行的操作，即具有周期性。这类功能组合在一起封装为一个任务，避免一个时间事件触发多个任务，省去事件分发操作与它们之间的通信。

如果若干功能按固定顺序进行流水作业，相互之间完全没有"并发性"，尽量将这些功能组合为一个任务。

任务划分后，需要评估CPU占有率，以便确定这些任务是否可以在操作系统的调度下正常运行。简单的说就是计算在一定周期内，各任务运行的最长时间长和是否小于周期，也可以粗略确认最低优先级的任务（待机任务）是否有周期运行的机会，否则系统的正常运行可能难以保证。

类似生产流水线，如果某个环节超时，整个产线就没法持续运行。这种情况需要提高系统时钟频率或者换硬件方案，或者优化软件算法。

任务设计是整个应用程序的基础，按任务的执行方式可以分为三类：单次执行类、周期性执行类和事件触发类。

这类任务创建后只执行一次，执行结束后即自行删除。优点一个功能运行完了，立刻销毁释放资源，但也正是这样，缺点也明显，释放不干净，或者信号量处理不当导致关联任务永久阻塞。仅适合不与其他任务进行通信（除ISR外）的孤立任务。

不过有些RTOS或者二次封装，可以提供工作队列（work queue），多个这样的功能需求，统一到一个固定的任务执行，该固定任务并不销毁，一直存在，接收其他任务的执行请求。类似共享单车，大家都是用完就还，由指定人负责维护执行。

周期性执行的任务创建一次，使用while 1永久存在，执行任务实体后休眠，再按时唤醒或者超时触发，再运行再休眠的循环操作。需要注意休眠时间和任务执行时间比值越大越好，否则时间间隔会累积误差。适用于对周期稳定性要求不高的任务，否则只能采用独立于操作系统的定时中断来触发。

这类任务实体代码的执行需要等待某种事件的发生，在相关事件发生之前，如获取队列消息或信号量阻塞中，该任务被挂起等待。相关事件发生一次，该任务实体代码就执行一次。这种任务可以与其他任务进行通信，也可被动等待时间触发，一般情况下使用最多。

不同RTOS任务优先级定义的范围和意义不同，比如有的是数值越小表示优先级越高，有的相反；最大数值的范围也与系统配置有关。任务的优先级安排原则：

中断关联性：与中断服务程序关联的任务应该安排尽可能高的优先级，以便及时处理异步事件，避免第二次中断发生时第一次中断还没有处理完成，从而产生信号丢失现象。

紧迫性：因为紧迫任务对响应时间有严格要求，所有紧迫任务按响应时间要求排序，越紧迫的任务安排的优先级越高。

关键性：任务越关键安排的优先级越髙，以保障其执行机会。

传递性：信息传递的上游任务的优先级高于下游任务的优先级，如信号采集任务的优先级高于数据处理任务的优先级。

快捷性：在前面各项条件相近时，耗时短的任务安排的优先级越高。