新来的妹子要我教她学RTOS

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我是靠谱客的博主高贵裙子，最近开发中收集的这篇文章主要介绍新来的妹子要我教她学RTOS，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

本文首发于微信公众号：“嵌入式软件实战派”，关注“嵌入式软件实战派”获得更多精品干货。

新来的程序媛

公司招了个程序媛，老大最近赶项目忙的死去活来，没空指导，让我来照顾她，哦，是辅导她做开发。

她刚来那阵，我也没怎么跟她交流过，就打过几次招呼，微笑下点点头之类的。老大最近忙，这次也只是分别跟她、跟我简单提了下这回事，也没正式介绍下。腼腆的我，又不好意思主动找她，她也没有问题主动找我。尴尬得，我心胡乱跳了好几天。程序猿我倒是辅导过几个，但是，妹子还真没有……

终于，有一天快下班了，我还在那里调bug，我背后隐约传来个温柔的声音，“前辈，你好！”我以为不是喊我，我继续调代码……

“你好，前辈！”

我转头看了看，是新来的那个妹子。

“呃……”

于是，她又换了个称呼。

“师兄，你好，不好意思，打扰下你。”

“你好……”

“你今晚有空吗？”

“嗯，什么事？”我慌张的很，内心想难道妹子暗恋我，要约我？

“我看了好几天了，摸不着头脑，我想请教下你RTOS的一些问题……”

“哦，没问题”，我心中窃喜，这是我的强项！

于是，晚上顺理成章地加班了……

“RTOS有什么问题？”我关切地问，又发现我这句话问的不够贴切。

“我以前没用过RTOS……”，她低声说，像是做错事的孩子。

听到这里，我发现我的机会来了……我总结的RTOS干货（广告：关注“嵌入式软件实战派”，获得更多精品干货！），终于派上用场了。

什么是系统

中国著名学者钱学森认为：系统是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分。

百度百科

程序里面为什么有个死循环？妹子其实很好奇，但是她没直接问这个问题。

因为，程序员的爱是永恒的，不是随随便便玩两下的，更不是始乱终弃的。当然，这话我也没跟她说。

实现一个产品的功能，是用户随时都能用的，也就是软件是一直就绪候着用户这位大爷的。所以，它处于一直循环状态中，不叫你关机，就一直运行下去，直到永远。

1. 轮询系统

实际上，朴素的系统就很简单，一个死循环就行。

这个就是轮询系统。

这是最简单的一种系统，主程序就是一段死循环的代码，在循环中运行多个程序功能（姑且叫它为job），这些job顺序查询各个条件，如果满足就执行相应的操作。这系统实现非常简单，妹子一看就懂了。

但是，这个轮询系统有点死板，对于外面的输入，它只能通过循环里面的job去查询到，万一有一个job干了很多事，运行好慢，那么这个外部输入就处理不及时，影响体验。

那么，中断这个功能就发挥优势了。

2. 前后台系统

在程序运行的过程中，用一些job来处理中断的数据。

这个就是前后台系统。

实际上，前后台系统对轮询系统的外部事件的处理做了优化，它是由中断驱动的。主程序依然是一段死循环的代码，称为后台程序，而所谓的前台，就是中断触发的事件。在后台程序执行的时候，如果有外部事件发生，则前台的中断程序会打断后台程序。

例如，假如把现在的软件开发工作当做是一个后台任务，产品经理突然打电话过来说要该需求，这个就是前台。

做这个举例的时候，我有点激动（一提到该需求就激动，想到处找砖头……），幸好我控制了情绪，幸好妹子还是理解了这个概念。

如果前后台系统的某个job处理事情太慢了，还是会影响其他job的运行啊。

3. 多任务系统

对于前后台系统的问题，人类的追求总是不停歇的，人民群众的智慧也是无穷无尽的。

用多个死循环呗。

从上图可以看出，多任务系统好像是前后台系统的几份拷贝一样，每个task都是一个死循环。这几个task是独立运行的，处理着各自的事情，这些事情也可以简单理解为job1、job2、job3等等。

当中断事件来了，由对应的task去处理，而且可以及时响应。

举个例子，假如当前task1在运行，而更紧急的任务——中断3来了，那么task2会抢占运行（假设优先级比task1的高），及时响应了事件中断。

这个就是多任务系统了。用在嵌入式上，也可以理解为我们常说的RTOS。

说到这里，好像系统变得复杂了，看得出，妹子一脸懵逼。她似乎想问，多个死循环怎么运行？

RTOS怎么工作的

RTOS里面的任务（Task），从宏观上看，是独立的，他们各自干各的，但是，从微观上（虽然有点不恰当，姑且用宏观/微观的概念来解释）不是，对于单核的CPU，这些task可以说是“分时复用”的，也就是说，CPU一会运行一下task1，一会又切换到task2去运行，一会又切换到task3……而CPU运行很快，让你感觉不到它在切换和停留，感觉起来各个task就是各自干各自的。

那，这是怎么做到的呢？妹子听我说着，满怀期待的样子。

1. 时钟节拍

引入一个概念，“时钟节拍”或者叫“时间节拍”或“时间片”。在电子的世界了，软件的运行并非是连续的，而是由一个小小的时间片驱动着运行。就像，现实世界是连续的，而软件的世界是离散的，是由一个个小片段组成的。

时钟节拍是多任务系统的基础，它指明了把处理器时间以某个频率分割成固定长度的时间片段。这个时间片段，就是RTOS运行的时间尺度。这些时间片，基于硬件的，准确说是基于芯片的时钟模块的定时器中断。每次时间片切换，OS都会检测到，并判断当前是继续当前的任务，还是要切换到其他任务运行。

2. 多任务机制

不管怎么耍，CPU的固定一个时刻，只能是运行着一个task，就像齐天大圣什么个七十二变，实际上只有一个真身。

什么时间片由哪个task运行，这个才是OS核心的内容。实际上这是个复杂的事情。为了讲明白这个东西，我只好抽象地讲解。这几涉及到另外几个概念了，如上下文（Context）、任务状态、任务切换、系统调度等。

每个task正在CPU上运行的时候，OS的堆栈是会记录着当前运行的位置，还记录着上一个task是在哪个位置被切换过来的。这些记录的信息就是上下文。

我在讲解的时候，时不时转头看下妹子，妹子也是使劲地点头，好像很佩服的样子……

而这些上下文是怎么记录的呢？

从单纯的MCU程序运行来看，这些信息是存放在一系列寄存器中的，例如R0，R1，R13等等，其中还有几个特殊的寄存器，如SP指针，PC指针等。

这好像绕到了MCU底层的东西去了，生怕妹子听不懂，我就尽量避开了，但是必要的地方还是会提到。

这一系列的内容，OS就会用一个堆栈（准确说是OS的栈）来存放着，每个task都有一个单独的栈，存放着自己的task的上下文信息，就像MCU里面寄存的快照一样，当然，还存放着自己task里面的其他信息，例如局部变量等。当CPU要切换的时候，就会把这些栈信息提取出来用。

这个过程有点复杂，我没绕进去，后面有机会再细讲，这些信息怎么存进来，又怎么提取出来使用的。（广告：关注“嵌入式软件实战派”，获得更多RTOS知识！）

那么，CPU怎么知道某个时刻要切换到某个task运行的呢？妹子疑惑地问。

这就靠OS里面的状态管理了，也就是前面提到的任务状态。一般情况下，RTOS都会有几个不同的状态，如运行状态（Running State）、就绪状态（Ready State）、挂起状态（Suspend State），还有阻塞状态（Blocked State）等等，当然还有些其他的状态来处理其他特殊的情况。例如下图的FreeRtos的状态切换。