嵌入式开发中可能面临的问题

1万 · 2023-6-20 10:19

嵌入式开发中可能面临的问题

1 并发性问题

程序并发工作效率低在写裸机软件时，不可避免的在主程序中会有一个超级大的 while（1）循环，这里面几乎包含整个项目的所有业务逻辑。因为每个业务逻辑里面都会有 delay 这样的循环等待函数，这样导致了所有的业务逻辑几乎都是串行起来工作的。这个时候 CPU 就会有很多时间都浪费在了延时函数里，一直在空转，导致软件的并发效率非常差。

2 模块化：高内聚、低耦合的原则

从软件工程的角度，我们在做软件开发时，都会强调高内聚、低耦合的原则。而裸机的模块化开发难度非常大，模块间的耦合较重，这也导致了无法在大型项目使用裸机来开发。还是刚才 main 函数中大 while（1）的例子，可以想象到那么多功能都紧紧的挤在一个函数里，不可拆分，模块化开发的困难重重。举一个非常贴切的例子，在一些使用看门狗的项目中，如果使用 delay 延时函数，那得注意点，万一延时过长，主函数来不及喂狗，看门狗就被触发了。最后会产生这样一种感觉，一个简简单单的 delay 还得考虑喂狗功能，裸机开发时操的心太多了，自然无法应用在大型项目中。

3 生态：很多高级软件组件，必须依赖于操作系统来实现

比如说，我前些年开源过一个基于 FreeModbus 的 Modbus 主机协议栈，因为要考虑各个平台适配问题，原本计划支持各种各样的操作系统，甚至是裸机平台。在各个操作系统上的适配都非常容易，但再去尝试着适配裸机时，发现难度重重，有一些函数在裸机上实现起来非常复杂，而且针对于不同的裸机环境，几乎没有通用性可言，太耗费精力了。所以我最终就放弃了裸机适配，一直到现在，在裸机上还是没法用这个 Modbus 主机协议栈。还有一些软件无法运行在裸机上，比如：乐鑫、Realtek、 ti 和联发科提供的 WIFi SOC SDK ，一些蓝牙 SOC 的 SDK 也都是只支持操作系统，所以，如果你不了解、不会使用操作系统，这些芯片也就玩不转了。

4 实时性：功能复杂的情况下，实时性无法保证

软件的实时性在一些领域会有一定的要求，软件的每个步骤必须在指定的时间被触发。工控领域就是最常见到的场景，如果实时性无法保证，机械设备可能就无法按照指定时序要求去动作，以至于发生机械事故，甚至会威胁到人的生命。回过来接着看裸机软件，如果软件变得庞大以后，可以想象到，主程序中那么大的一个 while（1）循环，代码耦合严重，到处都是 delay 延时，要保证实时性几乎是不可能的。

5 可重用性：软件可重用性差，总是重复造轮子

可重用性与模块化程度有直接的关系。相信大家每个人在工作中都不想做很多重复性的工作，同样在写代码时，也想着尽可能少写一些功能相似的代码。但在这个嵌入式碎片化极其严重的时代，各式各样的芯片，想要让同样的代码，在裸机环境下同时适配不同的硬件，难度非常大。这样也就导致了裸机的代码会过多的依赖于底层硬件，重复造轮子的过程也就不可避免。

RTOS带来的优势

第一次接触操作系统，是在 2010 年左右，那时 STM32 已经开始流行起来，这么强大的单片机，有很多人都在上面跑操作系统，我也跟着移植了 ucos ，在上面还跑了 ucgui ，这个时候写应用完全是一种全新的体验，爽了很多，玩了一年了 ucos ，后来接触到咱们国产的 RT-Thread ，在它上面有很多现成的、拿来即用组件，试用以后发现更爽，就一直用到了今天，大概有 8 年了。也跟大家也聊一聊操作系统的优势：

线程方式的并发任务处理，解决模块化问题，同时保证实时性

1 模块化

使用了操作系统以后，整个软件的工作被拆分成了由多个任务来构成（也会被称为线程），每个线程有自己独立的运行空间，即线程堆栈，这个时候每个线程你玩你的，我做我的，咱们大家互补干涉，模块化程度得到很好的提高。

2 并发性

从并发的角度来看，各个线程在使用 delay/事件等待这类函数时，会自动的让出 CPU 给其他有需要的线程，不仅书写 delay 延时函数操的心少了，整个 CPU 的利用率也得到了提高，最终提升并发性。

3 实时性

再来看实时性，像 ucos/RT-Thread 这些 RTOS 本身就被设计为实时的操作系统，各个线程都有不同的优先级别，重要的线程可以设为高优先级，不重要的线程可以降低优先级，做好全局的统筹规划后，这样整个软件的实时性也能得到保证。

4 开发效率

由于操作系统提供了统一的抽象接口层，方便了可重用组件的积累，提高开发效率

操作系统其实是一群软件大牛们智慧的结晶，他们站在应用软件、底层驱动的开发角度，对很多常见的软件功能进行了封装、抽象，比如：信号量、事件通知、邮箱、环形缓冲区、单向链表/双向链表等等，这些功能拿来即用，对于开发者方便极了

还有一些操作系统，比如：Linux 和我们国产的 RT-Thread ，他们这些系统对碎片化的硬件，统一封装了一套标准的硬件操作接口，一般称为设备驱动框架。这样我们的应用软件工程师，就可以专攻应用的工作，再也不用怕更换硬件，又需要重复造轮子了。

5 软件生态

生态的丰富带来了量变到质变的过程：

从自己玩，转变为大家一起玩。

使用操作系统所带来的软件可模块化、重用性的提升，也使得我们自己在做软件开发时，可以封装一套基于操作系统、适合嵌入式的可重用组件，这些组件不仅可以用在自己的项目中，还能开源出来分享给更多有需要的嵌入式开发者，把软件的价值最大化。

个人感觉这是一件蛮有意义事情，我自己本身也是一名开源极客，也有在 GitHub 上开源一些嵌入式软件。说实话在做开源软件前，能够深入交流嵌入式软件的地方非常少，毕竟大家的代码不是芯片不一样，就是硬件不一样，你的代码给了他，也不一定能运行起来。

但是自从用了操作系统后，软件的可重用性提高了，能够让更多的人很迅速的用起来我的开源软件，这个时候能够有更多的人可以一起交流，还接触到了很多的大牛们，甚至是国外的朋友。

俗话说：水涨船高，我的能力也从此得到了快速的提升。所以总结下来，有一个能一起交流嵌入式软件圈子还是蛮重要的，自己闭门造车，可能都是在重复造轮子。

常见RTOS对比

ucos/freertos/RT-Thread，选择这三款 OS 的原因是，它们的年限都比较长了，在市面上都蛮有知名度，用过的人比较多，更有说服力。

值得一提的是，在CubeMX工具中有FreeRTOS，支持很方便：使用STM32CubeMx工具，写FreeRTOS的demo程序。如果是STM32开发的话，FreeRTOS基本是入门RTOS的首选了。

1 基本功能、性能

各家 RTOS 差异很小，可比性并不是很大。

2 易用性/可读性

这块 FreeRTOS 应该说是最差，奇葩的匈牙利命名法，代码实现用了很多宏，可读性非常差。ucos 可读性还可以，注释也很全。这块做的比较好的是 RT-Thread ，它是类 Linux 的代码风格，面向对象的设计模式，代码简洁易懂。在保证了体积（最小 ROM：3K RAM：1.5K）的同时，还借鉴了 Linux 的设备驱动框架、虚拟文件系统、Shell 等功能，设计更加优雅。

3 组件丰富性

RT-Thread 比起传统 UCOS、FreeRTOS 不仅仅在基础功能上多而全，多达 50 个以上的可重用软件组件，还有很多物联网组件，对于物联网产品几乎做到开箱即用。RT-Thread 还可以运行 Python、Java、Lua 这些高级语言的脚本，进一步降低开发难度。

4 开发资料

这块 ucos 做的最好，还有配套相关的书籍，FreeRTOS 属于后起之秀，网上也有很多相关资料。RT-Thread 这块之前还是略显薄弱的，不过现在 RT-Thread 对这块非常重视，最直观的可以看到官网上的应用笔记越来越多了，还有一些配套教学视频。

5 版权

ucos 商业是要收费的，FreeRTOS 和 RT-Thread 版权都很宽松，特别是RT-Thread刚刚使用了Apache许可协议。

6 社区生态

这三款 RTOS 的社区都比较活跃，现在可以感觉到 ucos 慢慢的用的人越来越少了，RT-Thread 和 FreeRTOS 用的人都在增多。RT-Thread 也是开发者最多的国产 RTOS，并且还拥有国内最大的嵌入式开源软件社区。