什么是實時操作系統(tǒng)（RTOS）

實時操作系統(tǒng)（RTOS）是一種專為實時應用程序設計的操作系統(tǒng)。實時應用程序需要在特定時間內(nèi)做出預測的響應，因此 RTOS 專注于提供對時間約束的強調(diào)，以確保系統(tǒng)能夠滿足實時性能要求。

1. 實時性能：

• 硬實時和軟實時： RTOS 可以根據(jù)實時性能的要求分為硬實時和軟實時。硬實時系統(tǒng)對任務的響應時間有極嚴格的要求，任何未能在規(guī)定時間內(nèi)完成的任務都會被認為是失敗。軟實時系統(tǒng)也有時間要求，但相對靈活，任務未能在規(guī)定時間內(nèi)完成并不會導致系統(tǒng)失敗。

2. 任務調(diào)度：

• 實時調(diào)度算法： RTOS 使用實時調(diào)度算法來確定哪個任務將在處理器上運行。這些算法考慮任務的優(yōu)先級、截止期限和其他實時要求。
• 時間片輪轉： 在一些情況下，RTOS 可能使用時間片輪轉調(diào)度，確保每個任務都有機會運行，以防止某個任務長時間獨占處理器。

3. 任務管理：

• 任務創(chuàng)建與刪除： RTOS 允許創(chuàng)建和刪除任務。任務可以是獨立運行的單元，執(zhí)行特定的功能。
• 任務同步和通信： 提供機制使任務能夠同步和通信，如信號量、互斥鎖、消息隊列等。

4. 內(nèi)存管理：

• 動態(tài)內(nèi)存分配： 一些 RTOS 支持動態(tài)內(nèi)存分配，允許在運行時分配和釋放內(nèi)存。
• 靜態(tài)內(nèi)存分配： 為了提高可預測性，一些 RTOS 可能支持靜態(tài)內(nèi)存分配，即在編譯時為任務分配內(nèi)存。

5. 中斷處理：

• 中斷服務例程（ISR）： RTOS 允許開發(fā)人員編寫中斷服務例程，以處理硬件中斷事件。
• 中斷優(yōu)先級： 中斷服務例程可以具有不同的優(yōu)先級，RTOS 確保高優(yōu)先級的中斷可以中斷低優(yōu)先級的中斷或任務。

6. 實時時鐘和定時器：

• 實時時鐘： 提供對實時時鐘的支持，以便任務能夠基于實際時間進行調(diào)度和同步。
• 定時器： 允許設置和管理定時器，以在指定時間觸發(fā)任務或事件。

7. 錯誤處理：

• 錯誤檢測與處理： RTOS 通常提供錯誤檢測和處理機制，以確保系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤時能夠采取適當?shù)拇胧?/li>

8. RTOS 應用領域：

• 嵌入式系統(tǒng)： RTOS 廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)，如汽車控制單元、醫(yī)療設備、工業(yè)自動化等。
• 通信系統(tǒng)： 在通信系統(tǒng)中，RTOS 用于管理網(wǎng)絡設備、路由器和交換機等。

9. 示例 RTOS：

• FreeRTOS： 一個開源的實時操作系統(tǒng)，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。
• VxWorks： 用于嵌入式實時系統(tǒng)的商業(yè) RTOS。
• RTOS-32： 針對 Windows 平臺的實時操作系統(tǒng)。

10. RTOS 與通用操作系統(tǒng)的區(qū)別：

• 實時性能： RTOS 關注實時性能，而通用操作系統(tǒng)通常更注重吞吐量和響應時間。
• 內(nèi)核大小： RTOS 通常具有更小、更精簡的內(nèi)核，以確保快速啟動和響應。
• 任務調(diào)度： RTOS 使用實時調(diào)度算法，以確保任務在規(guī)定時間內(nèi)完成。

實時操作系統(tǒng)在對實時性能有嚴格要求的應用中發(fā)揮著關鍵作用。通過提供對任務調(diào)度、同步、通信和實時時鐘的支持，RTOS 使得開發(fā)者能夠設計和實現(xiàn)對時間要求極高的系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)和實時控制領域，RTOS 成為了不可或缺的工具。

FreeRTOS

FreeRTOS 是一個開源的實時操作系統(tǒng)，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。FreeRTOS 提供了對任務調(diào)度、同步、通信和實時時鐘的支持，使得開發(fā)者能夠設計和實現(xiàn)對時間要求極高的系統(tǒng)。FreeRTOS 通過 MIT 開源許可免費分發(fā)，包括一個內(nèi)核和一組不斷豐富的 IoT 庫，適用于所有行業(yè)領域。FreeRTOS 的構建突出可靠性和易用性。

FreeRTOS 的開發(fā)活動已從 SVN 遷移到 GitHub，現(xiàn)在可以直接在 FreeRTOS 的 Github頁面上找到。從 GitHub 下載 FreeRTOS 早期版本 的標準 zip (.zip) 文件或自解壓 zip 文件 (.exe) 。解壓縮 源代碼，同時確保不改動文件夾結構。

FreeRTOS 官方下載頁有兩個版本的下載包，一個是最新版，一個是長期支持（LTS）版。最新版下載包包含最新 FreeRTOS 內(nèi)核 、 FreeRTOS-Plus 庫 和 AWS IoT 庫，以及示例項目。長期支持版下載包則包含 FreeRTOS LTS 庫，其中包括 FreeRTOS 內(nèi)核和 IoT 庫，但沒有示例項目。可以根據(jù)自己需要選擇下載。

因為手上正好有 ESP32-C3 小飛控板，所以接下來的 playground 就以這個小板子為例了。而 ESP-IDF 中已經(jīng)集成了 FreeRTOS，所以我們可以直接使用 ESP-IDF 來開發(fā) FreeRTOS 應用。

Hello World

配置好 ESP-IDF 開發(fā)環(huán)境后，按照以下步驟配置實現(xiàn)本示例項目：

步驟 1: 安裝 ESP-IDF

確保你已經(jīng)安裝了 ESP-IDF。你可以按照 Espressif 的官方文檔 ESP-IDF 安裝指南進行安裝。

步驟 2: 創(chuàng)建新項目

1. 打開終端或命令提示符窗口，切換到你希望創(chuàng)建項目的目錄。
2. 運行以下命令來創(chuàng)建一個新的 ESP-IDF 項目：

idf.py create-project hello_world

這將創(chuàng)建一個包含默認項目結構的新目錄。

步驟 3: 進入項目目錄

cd < project-name >

步驟 4: 配置項目

1. 運行以下命令配置項目：

idf.py menuconfig

這將打開一個菜單配置界面，你可以在其中配置項目的各種選項，包括串口設置、Wi-Fi 配置、組件選項等。配置完成后，保存并退出。

2. (可選) 如果你想使用 VSCode 或其他 IDE 進行開發(fā)，可以運行以下命令生成 IDE 項目文件：

idf.py vscode

這將生成與 Visual Studio Code 兼容的配置文件。

步驟 5: 編譯和燒錄

在main目錄下找到hello_world_main.c文件，寫入以下內(nèi)容：

#include < stdio.h >
#include < inttypes.h >
#include "sdkconfig.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_chip_info.h"
#include "esp_flash.h"

void app_main(void)
{
    printf("Hello world!n");

    /* Print chip information */
    esp_chip_info_t chip_info;
    uint32_t flash_size;
    esp_chip_info(&chip_info);
    printf("This is %s chip with %d CPU core(s), %s%s%s%s, ",
           CONFIG_IDF_TARGET,
           chip_info.cores,
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_WIFI_BGN) ? "WiFi/" : "",
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_BT) ? "BT" : "",
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_BLE) ? "BLE" : "",
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_IEEE802154) ? ", 802.15.4 (Zigbee/Thread)" : "");

    unsigned major_rev = chip_info.revision / 100;
    unsigned minor_rev = chip_info.revision % 100;
    printf("silicon revision v%d.%d, ", major_rev, minor_rev);
    if(esp_flash_get_size(NULL, &flash_size) != ESP_OK) {
        printf("Get flash size failed");
        return;
    }

    printf("%" PRIu32 "MB %s flashn", flash_size / (uint32_t)(1024 * 1024),
           (chip_info.features & CHIP_FEATURE_EMB_FLASH) ? "embedded" : "external");

    printf("Minimum free heap size: %" PRIu32 " bytesn", esp_get_minimum_free_heap_size());

    for (int i = 10; i >= 0; i--) {
        printf("Restarting in %d seconds...n", i);
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
    printf("Restarting now.n");
    fflush(stdout);
    esp_restart();
}

這段代碼將輸出"Hello World！"，并打印一些芯片基本信息。

1. 使用以下命令編譯項目：

idf.py build

2. 使用以下命令燒錄固件到 ESP32：

idf.py -p < PORT > flash

其中 是你的 ESP32 開發(fā)板連接到計算機的端口。你可以使用 ls /dev/tty*（在 Linux/macOS）或 mode 命令（在 Windows）來查找端口。

步驟 6: 監(jiān)視串口輸出

1. 使用以下命令啟動監(jiān)視串口輸出：

idf.py -p < PORT > monitor

這將打開一個窗口，顯示 ESP32 的串口輸出。你可以看到程序的調(diào)試信息和日志。

2. 如果你修改了代碼并重新編譯，可以使用以下命令重新燒錄并啟動監(jiān)視：

idf.py -p < PORT > flash monitor

運行成功的話，應該會在控制臺輸出類似以下內(nèi)容：

Hello world!
This is esp32c3 chip with 1 CPU core(s), WiFi/BLE, silicon revision v0.4, 2MB external flash
Minimum free heap size: 330392 bytes
Restarting in 10 seconds...
Restarting in 9 seconds...
Restarting in 8 seconds...
Restarting in 7 seconds...
Restarting in 6 seconds...
Restarting in 5 seconds...
Restarting in 4 seconds...
Restarting in 3 seconds...
Restarting in 2 seconds...
Restarting in 1 seconds...
Restarting in 0 seconds...
Restarting now.