电脑基础 · 2023年3月15日

【经验分享】使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了 | 文末赠书4本

使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了

摘要:

本文简单介绍了博主学习操作系统的心路历程,同时还给大家总结了一下当下流行的几种实时操作系统,以及在工程中OSAL应该如何设计。希望对大家有所启发和帮助。

文章目录

  • 1 写在前面
  • 2 操作系统的定义
    • 2.1 什么是操作系统?
    • 2.2 什么是实时操作系统?
  • 3 常见常用的主流实时操作系统对比
  • 4 工程中的实时操作系统
  • 5 友情推荐
  • 6 文末福利

1 写在前面

操作系统一直伴随着我的工作,早些年我刚出来的工作的时候,那时候用的是芯片平台是 飞思卡尔的MC9S12DG128,然后跑的是uCOS-II 的实时操作系统。

由于在大学期间没有上过操作系统相关的专业课程,说来也惭愧,在学校都是51单片机编程,顶多用了一下AVR单片机(16位),那时候想用STM32之类的高级单片机简直就是一种奢侈。印象很深刻的是,大三的时候出去实习,公司那边用的还都是8位单片机那种,主要是产品逻辑简单、硬件成本要求低。

受困于单片机平台的低端,自然没有想过要给它上操作系统,直到大四毕业找工作的时候,才发现原来自己学校做的那些课程实验、那些所谓的“业余比赛”,压根不够看,面试官直接忽略不计。

就这么大四第一学期的9月10月基本就是在这样的面试鄙视的尴尬场面中度过,也正是那个时候,我觉得我TM是不是应该整点操作系统这种高卡东西,不然面试老是面不上啊!

经过一番打听,得知嵌入式Linux操作系统在我们这一行还是很吃香的,于是我第一时间在学校的BBS上(对,当时学校的BBS还是有点流行)发了一个帖子,说征集学一起学习嵌入式Linux的童鞋,可以现学现卖,参加当年的挑战杯项目。

由于在学校也没啥影响力,这个帖子很快就沉下去了,连个泡泡都没有,自然也没找到合适的人一起学习嵌入式Linux。

苦于无奈执行,我只能寄希望于我的毕设,由于学院几个毕设的指导老师都没有嵌入式Linux相关的课题,于是我厚着脸皮去找我们的系主任,说我们想搞一个嵌入式Linux相关的毕业题目,能不能请老师通融下,给我们一次自拟定毕业题目的机会。好在系主任爽快地答应了,只是说选好了课题就要真真正正地去学,还是糊弄我们混个毕设。

这段对话其实还是蛮打动我的,自然我也没有辜负他的期望,还是把嵌入式Linux相关的基础知识学习了一遍。可能是幸运的降临,就在第一学期的12月份,我有幸收到了第一份OFFER,来自一个电力软件行业的大厂,给出的薪资在当时同行来说还是比较高的。当然对比现在看到的动则年薪20W-30W起,我那比不上了,但总算是上岸了。

我还是很感谢那段时间努力学习的自己,到底还是现学现卖的操作系统知识帮了我一把,让我也成为同届同学中,令人羡慕的那一批人。

对了,如果我没记错的话,当时我的毕设题目大概应该是:《基于S3C2410的MP3播放器》,当时是在ARM9上面跑的嵌入式Linux操作系统。

2 操作系统的定义

上面回忆当初在毕业前夕学习操作系统的一些故事,下面这一章节给大家稍微总结一些操作系统的基本定义和概念。

2.1 什么是操作系统?

操作系统(Operation System, OS) 是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源,并合理的组织和调度计算机的工作和资源的分配,以提供给用户和其它软件方便的接口和环境,它是计算机系统中最基本的系统软件。

它的计算机体系中的位置如下面这种图所示:

【经验分享】使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了 | 文末赠书4本

从上图可以看出,层次越往下,就越靠近硬件,而操作系统正是在应用软件与计算机硬件之间的一个重要桥梁,也正是因为有了操作系统这一层次的存在,才有了上层各式各样的应用软件,也直接方便了顶层计算机用户的操作,提升了用户体验。

2.2 什么是实时操作系统?

实时操作系统(Real-time operating system, RTOS),又称即时操作系统,它会按照排序运行、管理系统资源,并为开发应用程序提供一致的基础。

实时操作系统与一般的操作系统相比,最大的特色就是 “实时性”,如果有一个任务需要执行,实时操作系统会马上(在较短时间内)执行该任务,不会有较长的延时。这种特性保证了各个任务的及时执行。

有关实时性的定义,可以参加维基百科的说法:

实时运算(Real-time computing)是计算机科学中对受到“实时约束”的计算机硬件和计算机软件系统的研究,实时约束像是从事件发生到系统回应之间的最长时间限制。实时程序必须保证在严格的时间限制内响应。

往往我们评估一个实时操作系统是否足够优秀,除了一些接口设计的人性化之外,其中一个很重要的特性就是评估其 实时性 。毕竟在嵌入式开发领域,某些项目场景下,实时性可是整个系统的命脉,一旦出现 非实时 的缺陷,可能问题就是致命的。

3 常见常用的主流实时操作系统对比

根据上面的大类说法,我们可以知道嵌入式操作系统并不一定都是实时操作系统,比如嵌入式Linux系统,它严格意义上就不是一个实时操作系统。但不得不承认,大部分的嵌入式操作系统都是实时操作系统。比如,我前文提及的 uCOS-II 操作系统。

本章节,我想给大家对主流的实时操作系统做个对比,以便于后续大家做操作系统选型参考:

【经验分享】使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了 | 文末赠书4本

里面罗列总结的,不一定都对,仅供参考,有疑问欢迎讨论。

4 工程中的实时操作系统

本章节,我会从工程实践的角度,总结一下实时操作系统的几个核心模块。

这两年我自己一直在做嵌入式系统架构设计这块,我们有个核心需求就是,要求我们的代码在各个硬件平台,无论它跑什么嵌入式操作系统,我们上层的应用代码都必须无缝衔接。

为了满足这样的需求,我们的软件架构设计中,独立设计了一层叫 OSAL(Operation System Abstract Layer),这一层它要解决的问题就是隔离具体的操作系统,对上提供统一的操作系统接口。

它的逻辑架构架构图如下所示:

【经验分享】使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了 | 文末赠书4本

下面针对这个OSAL层,简单介绍一下我们的设计:

其实要想把底层各式各样的操作系统隔离隔离开,那么我们必须识别出,一般的操作系统都提供哪些系统能力,在这里我直接把我的答案写上来,欢迎大家补充。

操作系统的几个核心能力包括:

  • 多任务(多线程):这是属于任务管理的范畴,任何一个操作系统都必须提供类似的能力;
  • 内存管理:严格来说,这不是操作系统的专有模块,因为很多不上操作系统的工程也能看到类似的内存管理模块;但一般带操作系统的工程,都有类似的内存管理模块;
  • 互斥锁:这个基本是操作系统的必备能力,用于对一些临界区资源的操作保护;
  • 信号量:这个也是操作系统的必备能力,用于应对一些 逻辑同步 的应用场景;
  • 消息队列:这个基本也是操作系统的标配,用于解决不同线程、任务直接的消息通讯问题;
  • 事件组:这个可能不是每个操作系统都有,它的作用有点类似于消息队列,但是它的实现比消息队列更轻量;用于实现多个事件同步;
  • 定时器:这个也基本是操作系统的必选能力,用于提供给用户一些软件定时器的操作;

识别出了以上几个核心模块之后,剩下的就是接口抽象设计了,我想这一块应该难不倒大家了。有兴趣的可以一起多交流交流。

5 友情推荐

通过上面的介绍,大家对操作系统应该有一定的认识了,但我想,仅仅了解这些是远远不够的。

操作系统是一块很庞大的知识体系,建议大家系统地去学习一遍。

在这里我给大家推荐一本行业顶级的操作系统相关的工具书,它就是 《操作系统:原理与实现》

【经验分享】使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了 | 文末赠书4本

【经验分享】使用了6年的实时操作系统,是时候梳理一下它的知识点了 | 文末赠书4本

本书的详细介绍,可以参加我的 社区文章

6 文末福利

为了鼓励大家好好学习《操作系统》,我在我的技术社区组织赠书活动,为大家送上五本《操作系统:原理与实现》,大家感兴趣的 戳这里。