为什么裸机开发人员转向操作系统

回顾“裸机时代”

我第一次知道嵌入式软件是在2008年左右，当时我是大二的，开始学习在51芯片上编程。因为我主修计算机科学，所以我的大部分程序都是在 PC 上执行的。看到程序在裸机板上运行是一种完全不同的体验，我仍然记得我的第一个自行车灯程序成功运行时的兴奋。然而，我写的裸机程序越多，我遇到的问题就越多。我总结如下：

并发

对于裸机程序，难免会有一个巨大的‘while(1)’循环，几乎包含了整个项目的所有事务逻辑。每个事务调用一个或多个延迟函数，它们在 CPU 运行延迟函数时串行执行，其余事务必须等待。这样一来，大部分CPU时间都浪费在了空循环上，并发性很低。

模块化

从软件项目的角度来看，在开发过程中始终强调高内聚、低耦合的原则。然而，裸机软件中的模块通常相互依赖严重，不便于设计低耦合的软件，这使得在裸机板上开发大型项目变得困难。例如：

• 如上所述，大多数函数都收集在一个巨大的“while (1)”循环中，并且难以划分模块。
• 再举一个例子，当涉及看门狗定时器时，开发人员必须小心使用延迟功能。如果延迟时间过长，主函数没有机会重置看门狗，那么在执行过程中就会触发看门狗。因此，对于裸机开发，即使调用延迟函数也有太多的事情需要考虑。项目越复杂，就越需要小心。

生态系统

许多高级软件组件必须依赖于较低级别操作系统的实现。例如：

• 我已经开发了一个基于‘FreeModbus’的开源项目，我计划移植到各种平台，甚至考虑到裸机板。但相对于适应不同操作系统的便利性，有些功能过于复杂，无法在所有裸机板上实现。另一方面，由于缺乏通用性，许多实现必须在不同的硬件平台上从头开始设计，这是一项无聊且耗时的任务。目前，我的 Modbus 堆栈实现仍然无法在裸机板上运行。
• Realteck、TI、联发科等大公司提供的很多WiFi软件开发包（SDK）只能在操作系统上运行。它们不公开固件的源代码供用户修改，因此您无法在裸机环境中使用它们。

实时

一些应用领域需要实时能力。在这种情况下，必须在特定时间触发软件的某些关键步骤。对于工业控制，机械设备必须按照预定的顺序和时间完成动作。如果不能保证实时性，就会引起故障，从而危及工人的生命。在裸机平台上，当所有的函数都被塞进一个大的“while(1)”循环中时，就不可能保持实时能力。

可重用性

可重用性直接取决于模块化。我相信没有人愿意一次又一次地做同样的工作，尤其是在编写代码时。但是在不同芯片的各种硬件平台上，相同的功能必须适应不同的硬件，其实现在很大程度上依赖于底层硬件。改造轮子是必然的。

操作系统的优势

我第一次使用这个操作系统大约是在 2010 年。 STM32 MCU 系列开始流行。凭借强大的功能，许多人在其上运行操​​作系统。我当时使用的是 RT-Thread 操作系统，其中有许多可用的、随时可用的组件。相比其他操作系统，我感觉更舒服，并且已经在上面开发了 10 年。

根据我的理解，我想谈谈操作系统的优势：

模块化

有了操作系统，整个软件就可以拆分成几个任务（称为线程），每个线程都有自己独立的执行空间。它们相互独立，提高了模块化。

并发

当一个线程调用延迟函数时，它会自动将CPU让给其他需要的线程，从而提高整个CPU的利用率，最终提高并发性。

实时

RTOS 的设计具有实时功能。每个线程都被分配了一个指定的优先级。更重要的线程被设置为更高的优先级，不太重要的线程被设置为更低的优先级。这样就保证了整个软件的实时性。

开发效率

操作系统提供统一的抽象接口层，便于可复用组件的积累，提高开发效率。

操作系统是一群软件极客的智慧结晶。许多常用的软件功能，如信号量、事件通知、邮箱、环形缓冲区、单向链表/双向链表等，都进行了封装和抽象，使这些功能随时可用。

Linux 和 RT-Thread 等操作系统为碎片化硬件实现了一组标准的硬件接口，称为设备驱动程序框架。因此，软件工程师只需专注于开发，不再需要关心底层硬件，也无需再造轮子。

软件生态系统

生态系统的丰富性带来了从量变到质变的过程。

操作系统的模块化和复用性的提升，让我们可以封装基于操作系统的、嵌入式友好的可复用组件，不仅可以在我们的项目中使用，还可以分享给更多有需要的嵌入式开发者——最大限度地发挥其价值软件。

我是一个开源极客，我在 GitHub 上开源了一些嵌入式软件。在创建开源软件之前，我很少和别人谈论我的项目，因为我认为由于人们使用不同的芯片或硬件平台，我的代码很难在他们的硬件上运行。有了操作系统，软件的复用性大大提高，很多专家可以就同一个项目相互交流。他们甚至来自不同的国家。这鼓励越来越多的人分享和谈论他们的项目。