1. 为什么使用RTOS

在单片机项目中，功能较少时，使用 while (1) 循环轮询就能满足需求。随着串口通信、按键扫描和状态上报等功能逐渐增加，各项工作的响应要求也开始不同。串口数据到达后需要及时处理，状态上报则按固定周期执行。如果这些逻辑都放在同一个循环中，一次耗时的操作就可能推迟后续处理。引入RTOS后可将不同功能拆分为独立任务，由调度器根据任务优先级和就绪状态安排执行。以串口接收为例，接收中断负责读取数据并通知处理任务，组帧和校验交由任务完成。处理任务在没有数据时可以阻塞等待，让出 CPU 给其他任务。这样的分工使程序更容易兼顾及时响应和周期执行，也便于后续增加功能和定位问题。

轮询系统即是在裸机编程的时候，先初始化好相关的硬件，然后让主程序在一个死循环里面不断循环，顺序地做各种事情，参考代码结构如下：

int main(void)
{
    /* 硬件相关初始化 */
    HardWareInit();
    /* 无限循环 */
    for (;;) {
    /* 处理事情 1 */
    DoSomething1();
     /* 处理事情 2 */
     DoSomething2();
     /* 处理事情 3 */
     DoSomething3();
     }
}

前后台系统既是轮询系统加中断组成，其中大循环称为后台系统，中断称为前台。示例代码结构如下：

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)
{
    /* 硬件相关初始化 */
    HardWareInit();

     /* 无限循环 */
     for (;;) {
     if (flag1) {
     /* 处理事情 1 */
     DoSomething1();
     }

     if (flag2) {
     /* 处理事情 2 */
     DoSomething2();
     }

     if (flag3) {
     /* 处理事情 3 */
     DoSomething3();
     }
     }
}

void ISR1(void)
{
     /* 置位标志位 */
     flag1 = 1;
     /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
     如果事件处理时间比较长，在回到前台处理 */
     DoSomething1();
}

void ISR2(void)
{
     /* 置位标志位 */
     flag2 = 1;

     /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
     如果事件处理时间比较长，在回到前台处理 */
     DoSomething2();
}

void ISR3(void)
{
     /* 置位标志位 */
     flag3 = 1;

     /* 如果事件处理时间很短，则在中断里面处理
     如果事件处理时间比较长，在回到前台处理 */
     DoSomething3();
}

相比前后台系统，多任务系统的事件响应也是在中断中完成的，但是事件的处理是在任务中完成的。在多任务系统中，任务跟中断一样，也具有优先级，优先级高的任务会被优先执行。当一个紧急的事件在中断被标记之后，如果事件对应的任务的优先级足够高，就会立马得到响应。相比前后台系统，多任务系统的实时性又被提高了。多任务系统大概的伪代码具体见代码结构如下：

int flag1 = 0;
int flag2 = 0;
int flag3 = 0;

int main(void)
{
    /* 硬件相关初始化 */
    HardWareInit();

    /* OS 初始化 */
    RTOSInit();

    /* OS 启动，开始多任务调度，不再返回 */
    RTOSStart();
}

void ISR1(void)
{
    /* 置位标志位 */
    flag1 = 1;
}

void ISR2(void)
{
    /* 置位标志位 */
    flag2 = 2;
}

void ISR3(void)
{
    /* 置位标志位 */
    flag3 = 1;
}

void DoSomething1(void)
{
    /* 无限循环，不能返回 */
    for (;;) {
        /* 任务实体 */
        if (flag1) {

        }
    }
}

void DoSomething2(void)
{
    /* 无限循环，不能返回 */
    for (;;) {
        /* 任务实体 */
        if (flag2) {

        }
    }
}

void DoSomething3(void)
{
    /* 无限循环，不能返回 */
    for (;;) {
        /* 任务实体 */
        if (flag3) {

        }
    }
}

相比前后台系统中后台顺序执行的程序主体，在多任务系统中，根据程序的功能，我们把这个程序主体分割成一个个独立的，无限循环且不能返回的小程序，这个小程序我们称之为任务。每个任务都是独立的，互不干扰的，且具备自身的优先级，它由操作系统调度管理。加入操作系统后，我们在编程的时候不需要精心地去设计程序的执行流，不用担心每个功能模块之间是否存在干扰。加入了操作系统，我们的编程反而变得简单了。整个系统随之带来的额外开销就是操作系统占据的那一丁点的 FLASH 和 RAM。现如今，单片机的 FLASH 和 RAM 是越来越大，完全足以抵挡 RTOS 那点开销。

2. RTOS简介

2.1 什么是RTOS

RTOS（Real-Time Operating System，实时操作系统）是一类面向时间约束设计的操作系统。它通过任务调度、定时和同步等机制，帮助应用在规定的时间内响应事件、执行周期性工作或完成数据处理。在嵌入式系统中，常见的做法是将通信、数据采集、状态监测等功能划分为不同任务，再根据各项工作的时序要求安排执行。

2.2 如何理解实时性

实时性关注的是系统能否在规定的时间内完成工作。例如，某通信设备要求从收到完整请求到发出应答最多间隔 10 ms，那么这 10 ms 就是这次处理的时间约束。即使平时只需要 2 ms，只要在某些负载下需要 15 ms，就会发生超时。因此，评估实时性时，需要关注高负载下的响应时间、执行时间的波动以及能否满足截止时间。

按错过截止时间所产生的后果，实时系统通常分为两类。

硬实时。错过截止时间就意味着系统未满足设计要求，例如要求在规定时间窗口内更新输出的闭环控制。
软实时。偶尔超时会降低服务质量，但系统仍能继续提供服务，例如界面刷新偶尔掉帧。

RTOS 提供了管理时间约束的机制。应用能否满足截止时间，还取决于任务执行时间、中断占用、共享资源等待和系统负载。

2.3 任务调度

任务是 RTOS 调度的基本执行单元，通常拥有独立的栈和运行上下文。以单核 MCU 为例，同一时刻只有一个任务占用 CPU。调度器根据任务的状态和调度策略，决定接下来运行哪个任务。

常见状态	含义
就绪	已具备运行条件，正在等待 CPU
运行	正在使用 CPU 执行
阻塞	正在等待数据、事件、资源或延时结束

以常见的基于优先级的抢占式调度为例，当更高优先级的任务从阻塞转为就绪时，调度器可以让它优先运行。任务切换时，内核保存当前任务的运行上下文，并恢复下一个任务的上下文，使任务能够从上次暂停的位置继续执行。

2.4 任务间通信与同步

任务拆分后，需要解决数据如何传递、事件如何通知，以及共享资源如何访问的问题。常见机制如下：

机制	典型用途
消息队列	在任务之间传递采样数据、命令或处理结果
信号量	通知事件发生，或记录可用资源的数量
互斥锁	保护共享外设或数据结构，使同一时刻只有一个任务访问
事件标志	让任务等待一个或多个条件满足
延时与定时器	实现周期执行、延时触发或超时处理

以串口接收为例，中断服务程序可以把收到的数据写入缓冲区，再通知串口处理任务。处理任务被唤醒后读取数据，完成组帧、校验和解析。没有数据时，任务可以阻塞等待，让 CPU 执行其他就绪任务。这种分工可以缩短中断服务时间，也让数据处理流程集中在一个任务中。

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