嵌入式程序使用实时操作系统和不使用实时操作系统有什么区别？

Question

有人能解释一下带RTOS和不带RTOS的嵌入式程序有什么区别吗？我学习嵌入式时，总是编写没有任何操作系统的代码，所有代码都分为子函数和主函数，子函数在主函数内调用，它仍然可以运行正确。为什么不需要操作系统就能运行呢？如果我将RTOS添加到我的代码中，会发生什么？感谢您的回答。

- OptimusPrime

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这其实是一个不错的问题。RTOS 是平台无关的，因此使用什么平台都无关紧要。而且 RTOS 可以集成到任何代码中，所以相关的代码并不重要。唯一重要的是 RTOS 有什么用处。 - Tarick Welling

想象一下一个客人众多的酒馆，老板接单、准备食物、上菜、收款、清理所有桌子等等。现在，试着让一个专职厨师、几个服务员、一个收银员和一个打杂的人协同工作，你认为哪种情况更好？ - tonypdmtr

这个问题可能涉及到“过于宽泛”。我遇到的最好的解释之一是Jean Labrosse的uC/OS-II书中的“实时概念”章节。本质上，RTOS使得确定性地调度应用程序任务并满足实时截止日期更容易。如果您的应用程序很简单，不适合多线程，或者没有硬实时约束，则可能不需要它-尽管仍然可能有优势。 - Clifford

这个问题非常好地被表述了出来（+1），初学嵌入式编程的人（以及没有实时操作系统经验的高级嵌入式程序员）都应该思考一下这个问题。这个表述还指向了典型的误解，即实时操作系统可能会为函数和子函数添加什么功能。 - HelpingHand

最终结果，我同意@tonypdmtr的最后一条评论，但为了帮助回答者，我们必须提供“如何管理一个驱动酒馆的团队”的帮助。为了保持这个比喻，不是每个酒店老板都知道如何开始雇用人员（一次性4人或更多），并变得更加高效和有利可图——而不是在第一个工资月之后破产。 - HelpingHand

Answer 1

您没有给出问题的任何上下文，但是假设您正在尝试使用开发环境在某种微控制器上运行具有 免费RTOS 的程序。

无RTOS的运行是您已经理解的简单情况 - 您的程序从主函数开始运行，执行您编程的任何循环或一组动作。

运行带RTOS会添加一组 .c 文件，主要实现调度程序。在它开始其主循环之前，您需要将想要定期运行的功能注册为调度程序的任务。因此，操作系统的实现将成为您项目的一部分，并与您的程序一起编译。

总之，如果您已经决定需要运行多个任务，并且调度程序将有益于您的系统，则可以添加RTOS而不是自己实现循环逻辑。

- Nomios

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这是对RTOS行为的相对简单的解释。实时任务通常不会“定期”运行，而是响应于外部事件。简单的周期性执行可以在没有RTOS的情况下实现。RTOS增加了抢占式基于优先级的调度、线程同步、资源锁定和进程间通信机制，当正确使用时可以确定性地保证对实时事件的反应时间。 - Clifford

感谢您的澄清，我同意该回答并未解决正确使用RTOS的原因，我将编辑答案以使其更加准确。我的意图是针对问题的真实本质。我猜想，未来寻找此类信息的人应当已经了解操作系统，并且大体上理解简单的裸机程序，并尝试升级到更为复杂的程序，此时互联网对于爱好者程序员来说会变得更不友好。 - Nomios

Answer 2

嵌入式程序有RTOS和没有RTOS的区别是什么？

您提到了答案的完美起点： 将代码分割为独立的函数、模块或类（如果我们考虑超越C和汇编语言），使用函数语法并将单独的翻译单元输入链接器工具，您可以使用RTOS将CPU分区，就像您拥有多个CPU一样，为软件实现不同的任务循环。请现在用“运行任务周期”替换“实现任务”。

请注意，与函数/模块分离不同，如果您使用C或C++，则不支持任务上下文分离。 因此，您将需要更多手动工作来集成此分离。

为什么没有操作系统它仍然可以运行？

不要将RTOS / OS内核与访问Microsoft或GNU / Debian / Fedora / SuSE基金会（或Apple或Google或IBM等）并要求操作系统时得到的内容混淆 - 他们会提供实际的操作系统内核和大量应用程序，这些应用程序可能非常必要，以便在目标系统（PC / 手机）上进行有效利用。

谈到RTOS时，我们总是考虑RTOS内核。 谈到操作系统时，我们指的是内核（除非我们像“Windows，Linux”等“操作系统”一样使用“pars pro toto”用法，在SO上不会经常发生）。 （RT）OS的内核是组织何时运行任务和何时暂停任务的组件。

如果我将RTOS添加到我的代码中，会发生什么？

起初，什么都不会发生： 您可以应用一个具有单个任务的RTOS配置，并将当前主循环软件的实现塞入该单例任务中。 这应该可以无限制地工作（如果您将并行性应用于结构化程序以形成函数 - 主函数已经是第一个函数...）。

现在，您可以从软件的分解（架构）开始，逐步添加任务，并与其他任务使用小接口。

RTOS库将通过提供进程间通信元素（事件/队列/邮箱）来实现这些接口。

在理想的基于RTOS的体系结构中，每个任务都应该作为一个邮箱项（或事件，或队列等）接收其工作数据包。 当这个任务没有其他数据项（消息、事件、队列数据等）时，RTOS内核将会阻塞该任务，并切换到另一个准备执行的任务。 因此，只有需要执行的任务才会真正消耗CPU时间。

如果有多个准备执行的任务，则下一个要运行的任务取决于您在配置RTOS库时选择的调度算法。 通常，在典型的嵌入式系统中，不同的任务被赋予不同的优先级，以便当没有更高优先级的准备就绪的任务时，任务才会占用CPU。 因此，RTOS为您提供了完美的解决方案，可以实现具有和不具有实时要求的紧急和非紧急任务，例如。

- HelpingHand