從屎山代碼到RTOS,老工程師的架構(gòu)進(jìn)化史

無際單片機(jī)編程

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文 | 無際（微信:2777492857）
全文約5867字，閱讀大約需要 10-20 分鐘
很多老鐵和我反饋，說很喜歡看我寫的內(nèi)容，不管是朋友圈還是文章，能在字里行間中，受益匪淺。
想想也很久沒時(shí)間沒寫長文了，既然大家喜歡看，我盡量抽時(shí)間多寫。
長文預(yù)警，全文5800多字，寫了16個(gè)小時(shí)，如果你想真正深入了解哪些項(xiàng)目需要上RTOS？RTOS有哪些優(yōu)勢？具體能解決產(chǎn)品哪些痛點(diǎn)？請花十分鐘，耐心看完，相信這篇文章比你看一套教程更一針見血，如果你趕時(shí)間，建議先點(diǎn)贊+收藏防止找不到。。
前段時(shí)間，本來想錄新項(xiàng)目的教程，因?yàn)閺娜ツ暄邪l(fā)出來，教程就一直爛尾了，沒想到還要繼續(xù)爛尾...   

后面我們評估了一下，想著把我們項(xiàng)目6跑個(gè)RTOS，給支持我們的老鐵，再安排一波彩蛋，會不會投產(chǎn)比更高一點(diǎn)？
答案是一定的，從幾個(gè)維度分析吧
1.如果學(xué)完我們項(xiàng)目現(xiàn)有的架構(gòu)，比如任務(wù)管理、隊(duì)列、鏈表。再去學(xué)RTOS，簡直就是so esay! 很多思維，代碼和RTOS都是類似的，老鐵們需要花費(fèi)的時(shí)間不多，但簡歷又能添金不少。
2.項(xiàng)目6這種級別的，上個(gè)RTOS，站在產(chǎn)品的角度，也合情合理，合理意味著更有說服力。
評估下來，大家都不用投入太多，但是產(chǎn)出高，說干就干，于是我們花了2個(gè)月左右，先是把freertos移植到項(xiàng)目6，然后又錄了教程。   

但今天不是來吹我們教程的，而是來解決很多小伙伴的一個(gè)疑問，就是RTOS能做什么項(xiàng)目？或者什么項(xiàng)目要上RTOS？

一、為什么要用RTOS？
想解決這個(gè)問題，就要追溯到RTOS能給項(xiàng)目帶來的好處，或者便利，大白話講就是RTOS有哪些功能優(yōu)勢？能具體解決產(chǎn)品哪些痛點(diǎn)？
1.解決項(xiàng)目架構(gòu)問題
RTOS是"Real-time Operating System"單詞的縮寫，對應(yīng)的中文稱為"實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)"，目前市面的RTOS系統(tǒng)種類比較多，我們這里以FreeRTOS為例。
雖然我們推出了FreeRTOS的教程，但不意味著這是求職者的剛需技能，我和徐工都在一線干研發(fā)有10年以上，碰到上RTOS的項(xiàng)目，可以說不多。
一般復(fù)雜點(diǎn)的項(xiàng)目，用我們自己寫的那個(gè)架構(gòu)就能勝任，而且移植起來沒那么繁瑣，代碼也沒那么臃腫，該有的功能也有，比如任務(wù)管理，定時(shí)器矩陣，隊(duì)列。   





這個(gè)架構(gòu)，下到51，上到STM32的項(xiàng)目，都能用，不過51單片機(jī)資源匱乏的，就別用了，省著點(diǎn)吧。   
而且這個(gè)架構(gòu)經(jīng)過了很多批量產(chǎn)品的驗(yàn)證，擴(kuò)展性、移植性都穩(wěn)的一批。
可以說，如果你自己能寫出這種架構(gòu)，企業(yè)對你的認(rèn)可度，比你只會用RTOS高多了，因?yàn)檫@背后意味著你的編程功底很扎實(shí)。
也非常榮幸受到了很多老鐵認(rèn)可，隨機(jī)截了幾張圖。   

這個(gè)架構(gòu)教程也是開放的，可以找我安排，也可以自己去看。   

   
哈哈，不吹水了，這不是一篇GG文�。。�！
回到RTOS，我個(gè)人認(rèn)為，RTOS本質(zhì)上，就是一個(gè)高實(shí)時(shí)性的程序架構(gòu)，解決你項(xiàng)目程序"地基"的痛點(diǎn)，很多工程師沒能力自己設(shè)計(jì)穩(wěn)定的架構(gòu)，就用這種現(xiàn)成的。
但是有能力的，都是習(xí)慣用自己寫的架構(gòu)，簡單輕便，而且程序100%可控，像實(shí)時(shí)性這個(gè)問題，寫程序時(shí)規(guī)避好，實(shí)時(shí)性基本和RTOS沒啥區(qū)別，至少產(chǎn)品功能沒影響，畢竟RTOS用不熟，也會埋雷的。
架構(gòu)穩(wěn)了，你在此基礎(chǔ)上"搭積木"，才不會造成系統(tǒng)性的程序崩塌風(fēng)險(xiǎn)，這對于復(fù)雜的項(xiàng)目特別重要，可以說沒好的架構(gòu)，項(xiàng)目基本上很難做穩(wěn)定，哪怕能做穩(wěn)定，后期維護(hù)成本也巨高，比如改個(gè)功能，移植到更便宜的芯片啥的，砸鍵盤的心都有。

2.項(xiàng)目代碼的模塊化管理
一個(gè)成熟的架構(gòu)，除了支持不同的內(nèi)核和開發(fā)平臺，像模塊化這些，都是基本操作，我們根據(jù)不同的應(yīng)用和功能創(chuàng)建不同的任務(wù)，這樣就相當(dāng)于你的項(xiàng)目增加了一個(gè)老板，可以很輕松地指揮哪個(gè)任務(wù)執(zhí)行，什么時(shí)候執(zhí)行，什么頻率執(zhí)行等等....
在單片機(jī)程序開發(fā)時(shí)，大多數(shù)工程師都是從while(1)死循環(huán)開始，將一堆功能代碼都對接到while循環(huán)里面運(yùn)行，包括我自己也是這樣過來的。
以下是我10年前的代碼截圖，這種方式的缺點(diǎn)是不好控制每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行/不執(zhí)行，以什么頻率執(zhí)行。

用專業(yè)術(shù)語來說，這種就是屎山代碼。
后面隨著開發(fā)經(jīng)驗(yàn)豐富起來，不斷優(yōu)化架構(gòu)以后，現(xiàn)在做項(xiàng)目，變成了如下代碼：

咋一看，是不是以為加了RTOS系統(tǒng)？     
其實(shí)沒有，只是借鑒了系統(tǒng)的編程思路，把傳統(tǒng)的while(1)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了代碼封裝，本質(zhì)還是輪詢的機(jī)制。
輪詢機(jī)制的弊端是，無法做到任務(wù)搶占式，就是任務(wù)插隊(duì)，這樣的話，對于沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師，可能會因?yàn)槟承┤蝿?wù)代碼時(shí)間過長，而影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
如果有豐富經(jīng)驗(yàn)，能規(guī)避掉延時(shí)高的代碼，說出來你可能不信，這個(gè)架構(gòu)比RTOS好用不是億點(diǎn)點(diǎn)...
以下是我們無際單片機(jī)項(xiàng)目6增加了FreeRTOS后的代碼：

下面以這個(gè)項(xiàng)目為例，給大家一一講解下FreeRTOS功能的實(shí)際應(yīng)用場景。
比如任務(wù)的搶占式調(diào)度，消息隊(duì)列，內(nèi)存動態(tài)分配，軟件定時(shí)器....等功能。
這些功能，幾乎每個(gè)都能解決某些特定應(yīng)用場景的痛點(diǎn)，而且這些功能，我們只需要通過調(diào)用現(xiàn)成的API函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)，極大減輕了工程師的負(fù)擔(dān)。
         
二、RTOS提供的功能以及應(yīng)用場景
1.任務(wù)的搶占式調(diào)度
FreeRtos的任務(wù)調(diào)度支持搶占式調(diào)度，這也是它的優(yōu)勢之一。
FreeRtos系統(tǒng)創(chuàng)建的每個(gè)任務(wù)都有優(yōu)先級參數(shù)的配置，搶占式調(diào)度就是基于優(yōu)先級來實(shí)現(xiàn)的，如下圖，以項(xiàng)目6創(chuàng)建的4個(gè)任務(wù)為例，其中硬件處理層任務(wù)的優(yōu)先級最高（優(yōu)先級為5），數(shù)字越大優(yōu)先級越高。

在項(xiàng)目6中，對實(shí)時(shí)性要求比較高的功能代碼，基本都在硬件數(shù)據(jù)采集這塊，例如Lora數(shù)據(jù)收發(fā)，如果有l(wèi)ora門磁探測器觸發(fā)了，要第一時(shí)間收集數(shù)據(jù)，然后觸發(fā)主機(jī)報(bào)警，這是比較緊急的任務(wù)，因?yàn)槲覀冺?xiàng)目的核心功能就是防盜報(bào)警。
硬件層還有其它，比如串口數(shù)據(jù)接收，這個(gè)是連接wifi和4G，優(yōu)先級也需要高一些，當(dāng)主機(jī)報(bào)警后能第一時(shí)間把數(shù)據(jù)上傳到我們云平臺，以及給用戶撥打警示電話。



剩下的就是PWM輸入定時(shí)器捕獲，PWM輸出等等了...     
所以，這個(gè)優(yōu)先級怎么去規(guī)劃，一般是按照項(xiàng)目的功能來的，需要緊急處理的功能邏輯，往往優(yōu)先級設(shè)置最高。  

2.消息隊(duì)列
消息隊(duì)列是什么？有什么用？
消息隊(duì)列主要是用來處理單片機(jī)大數(shù)據(jù)采集和處理的，比較經(jīng)典的使用場景就是串口數(shù)據(jù)接收和解析。
FreeRTOS隊(duì)列和我們自己架構(gòu)的隊(duì)列，原理都是大同小異的。
這里我們以項(xiàng)目6的Lora模塊無線數(shù)據(jù)的接收為例，來介紹FreeRTOS消息隊(duì)列的應(yīng)用。
Lora模塊我們接的是單片機(jī)串口。
如下截圖，紅色標(biāo)注的是用來接收Lora接收數(shù)據(jù)消息隊(duì)列的創(chuàng)建。

  首先要按照消息隊(duì)列的格式來定義消息隊(duì)列的名稱和大小，然后在Lora初始化程序中通過API函數(shù)創(chuàng)建消息隊(duì)列。
創(chuàng)建完成后，消息隊(duì)列的返回值要賦值給消息隊(duì)列的句柄（句柄也就是我們定義的消息隊(duì)列的名稱），數(shù)據(jù)的入列和出列就是通過句柄來操作的。
消息隊(duì)列創(chuàng)建完成之后，就是消息隊(duì)列的使用，包括消息隊(duì)列的入列和出列。
如下圖，對應(yīng)的就是Lora接收數(shù)據(jù)消息隊(duì)列的入列和出列的過程。
把Lora接收到的數(shù)據(jù)入列處理截圖:

Lora接收到的數(shù)據(jù)出列處理代碼截圖:

如果是我們無際單片機(jī)項(xiàng)目特訓(xùn)營的老鐵，可能會好奇，為什么入列，出列函數(shù)的名字，和我們自己架構(gòu)是一樣的？   
答案是為了兼容，我們對API函數(shù)名稱做了重定義，因?yàn)槲覀兪窃谖覀兗軜?gòu)的基礎(chǔ)上，改的RTOS，方便大家學(xué)完我們架構(gòu)無縫過渡RTOS。
上面的截圖只是說明了消息隊(duì)列的過程，關(guān)于Lora數(shù)據(jù)處理的過程遠(yuǎn)比這個(gè)要復(fù)雜，文章篇幅有限，這里就不介紹了
除了Lora，還有我們OTA升級的功能，這種大數(shù)據(jù)流的，用隊(duì)列也能事半功倍。
隊(duì)列的本質(zhì)，就是可以先把數(shù)據(jù)存起來(比如存在數(shù)組里)，等用到了再取，理解這個(gè)本質(zhì)，就好拋磚引玉了。
不過要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，就要把數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的算法處理，才能實(shí)現(xiàn)，比如說存數(shù)據(jù)和取數(shù)據(jù)，可能每次位置都不一樣。   
這種應(yīng)用場景很多，比如任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞，是不是也可以？既然需求多，是不是可以寫成一套模版程序呢？下次就不用重復(fù)造輪子了，所以有了入列、出列這類函數(shù)。


3.內(nèi)存動態(tài)分配，提升單片機(jī)RAM的使用率
在產(chǎn)品開發(fā)中，我們經(jīng)常會碰到一個(gè)問題，如果沒有動態(tài)內(nèi)存分配，那么定義的全局變量/數(shù)組只能用于有一個(gè)特定的功能，這樣會導(dǎo)致RAM資源的浪費(fèi)。
舉例來說，在我們項(xiàng)目6網(wǎng)關(guān)的探測器列表界面下，要顯示這個(gè)網(wǎng)關(guān)所有配對好的探測器，探測器數(shù)量一般是動態(tài)的，可能用戶A配對了5個(gè)探測器，用戶B配對了10個(gè)，用戶C配對了20個(gè).....
在具體的代碼中，我們程序定義了兩個(gè)靜態(tài)結(jié)構(gòu)體數(shù)組用來實(shí)現(xiàn)探測器列表的功能。

這兩個(gè)靜態(tài)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組占用了比較大的RAM空間，假如客戶突然發(fā)神經(jīng)，要求這臺主機(jī)要支持配對100個(gè)探測器，這個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組大小就是100，這得多嚇人，光這個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組就把單片機(jī)的RAM用得差不多了。
我們不妨計(jì)算以下：   

這里以StuDTCtemp結(jié)構(gòu)體數(shù)組為例，結(jié)構(gòu)體數(shù)組的元素類型Stu_DTC，通過 sizeof(Stu_DTC)計(jì)算，占用52個(gè)字節(jié)，假設(shè)最多支持20個(gè)探測器，再乘以數(shù)組元素的個(gè)數(shù)20，共1040個(gè)字節(jié)；
這1040個(gè)字節(jié)RAM空間被顯示探測器列表界面長期占用，造成了ARM空間的浪費(fèi)。
這里我們只計(jì)算了其中一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組，如果上圖兩個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組占用的空間加起來更大。
而FreeRTOS提供的內(nèi)存動態(tài)分配就可以很好的解決這個(gè)問題，動態(tài)內(nèi)存分配是指在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配和釋放內(nèi)存。這種方式可以更大限度的利用RAM空間。
應(yīng)用內(nèi)存動態(tài)分配，優(yōu)化后的代碼如下；   

這樣就可以實(shí)現(xiàn)在需要顯示探測器列表的時(shí)候，申請已配對探測器需要用到的內(nèi)存大小，退出當(dāng)前界面的時(shí)候，釋放內(nèi)存。
內(nèi)存動態(tài)分配可以提高RAM的使用率，但會如上圖，內(nèi)存動態(tài)分配需要和結(jié)構(gòu)體指針配合使用，這樣就會增加代碼的復(fù)雜度,如果使用不當(dāng)，會造成內(nèi)存的泄漏、碎片化等問題。因此內(nèi)存動態(tài)分配，我們主要使用在占用RAM空間比較大的變量中。
如果沒有RTOS的話，就要自己手?jǐn)]內(nèi)存管理代碼，我們就手?jǐn)]過，相當(dāng)痛苦，調(diào)了3天3夜。
下圖是我們原來寫的內(nèi)存管理代碼，解決了碎片化的問題，本來想在項(xiàng)目中加入，但是考慮到復(fù)雜程度過高，怕無際單片機(jī)項(xiàng)目特訓(xùn)營老鐵學(xué)得嗷嗷叫，就放棄了。            
下面展示下源碼，內(nèi)存分配：

         
內(nèi)存釋放：

這個(gè)源碼，是有放到項(xiàng)目3資料包里的，特訓(xùn)營需要的老鐵可以自己去研究。

4.時(shí)間管理和Delay延時(shí)處理
在嵌入式開發(fā)過程中，我們經(jīng)常會碰到一些喪心病狂的延時(shí)需求，舉個(gè)例子，LED燈每5秒快閃3次，按鍵消抖，單口通訊的時(shí)序控制等等....
用死循環(huán)延時(shí)函數(shù)這種方式肯定是不行的，會長時(shí)間占用CPU資源，導(dǎo)致無法及時(shí)響應(yīng)其它任務(wù)。
為了解決這個(gè)問題，我們采取了很多方法，如使用定時(shí)器或狀態(tài)機(jī)等。
盡管這些方法都能解決延時(shí)問題，但它們在可擴(kuò)展性和移植性，以及規(guī)范性方面都存在很多不足，就是換一個(gè)項(xiàng)目不通用。
所以，F(xiàn)reeRTOS提供的阻塞式延時(shí)函數(shù)vTaskDelay(); vTaskDelay()就解決了這些痛點(diǎn)。
函數(shù)是以系統(tǒng)滴答（SysTick）為單位實(shí)現(xiàn)延時(shí)的，通常是1ms，例如vTaskDelay(1000)，就表示1000ms的延時(shí)。
什么是阻塞延時(shí)？
阻塞延時(shí)就是在延時(shí)計(jì)時(shí)過程中，單片機(jī)的CPU可以處理其他任務(wù)或代碼，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到了之后，F(xiàn)reeRtos會自動返回任務(wù)并執(zhí)行下一條指令，這種方式既節(jié)省了CPU資源，又提高了系統(tǒng)的響應(yīng)性。
可以看以下示例，在FreeRtosTask1函數(shù)代碼中，使用vTaskDelay(1000)實(shí)現(xiàn)LED1間隔1秒翻轉(zhuǎn)，在FreeRtos實(shí)現(xiàn)1秒的延時(shí)過程中，CPU能夠處理其他任務(wù)。   


5.軟件定時(shí)器功能
除了FreeRTOS提供的延時(shí)函數(shù)外，F(xiàn)reeRTOS也提供了軟件定時(shí)器功能，通過軟件定時(shí)器也可以實(shí)現(xiàn)上面的功能，這個(gè)跟我們自己架構(gòu)的定時(shí)器矩陣功能原理差不多。
FreeRTOS軟件定時(shí)器是一種純軟件實(shí)現(xiàn)的定時(shí)器，它利用系統(tǒng)的時(shí)基(通常是系統(tǒng)滴答中斷)，來模擬定時(shí)器的功能，而不需要占用額外的硬件資源。
我們以項(xiàng)目6中通過軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)LED7間隔500ms翻轉(zhuǎn)，來簡單的了解FreeRTOS的軟件定時(shí)器功能。

當(dāng)然，軟件定時(shí)器雖然不占用硬件定時(shí)器資源，但也有一些缺點(diǎn)，由于它是基于系統(tǒng)時(shí)基實(shí)現(xiàn)的，定時(shí)精度受限于系統(tǒng)時(shí)基的頻率，無法達(dá)到硬件定時(shí)器那樣的高精度。
還有軟件定時(shí)器的執(zhí)行需要消耗一定的CPU時(shí)間，如果定時(shí)器數(shù)量過多或者定時(shí)頻率過高，可能會對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響。
以上知識列舉了FreeRTOS的一些經(jīng)典功能，除了以上還有信號量，任務(wù)通知，事件標(biāo)志組等功能，由于篇幅有限，這就就給大家不一一列舉了。

三、有哪些項(xiàng)目要用RTOS？
雖然RTOS功能非常強(qiáng)大，但并不是所有的單片機(jī)項(xiàng)目都適合，尤其是資源比較匱乏的51內(nèi)核單片機(jī)。
FreeRTOS系統(tǒng)內(nèi)核代碼大概需要占用7-10K的Flash空間，如果單片機(jī)的Flash空閑小于64K，就不推薦使用。   
其次就是RAM空間的消耗，如果要用到消息隊(duì)列，內(nèi)存分配，建議RAM空間在20K以上, RAM空間太小，無法發(fā)揮FreeRTOS系統(tǒng)的優(yōu)勢。
上面是從單片機(jī)硬件資源上的建議，站在項(xiàng)目的角度，F(xiàn)reeRTOS比較適合中大型項(xiàng)目，例如我們項(xiàng)目6這種，項(xiàng)目功能比較復(fù)雜，涉及的模塊比較多，這樣就可以充分的體現(xiàn)它的優(yōu)勢，包括不同模塊任務(wù)的管理，任務(wù)之間消息的傳遞，內(nèi)存的動態(tài)分配等。
在老工程師眼里，一般流傳一句話："能不用RTOS，就不用"，特別是跑量的產(chǎn)品，代碼越好理解，越簡單越好。
一方面是在使用FreeRTOS系統(tǒng)的時(shí)候，需要有比較扎實(shí)的編程基礎(chǔ)，包括回調(diào)函數(shù)，函數(shù)指針，結(jié)構(gòu)體數(shù)組，鉤子函數(shù)，臨界保護(hù)等。
如果沒有扎實(shí)的編程基礎(chǔ)的話，很難游刃有余地駕馭該系統(tǒng)，如果開發(fā)中出現(xiàn)了奇怪的問題，就無法快速鎖定并解決問題。
因此建議大家剛開始學(xué)習(xí)單片機(jī)的時(shí)候，沒有扎實(shí)的編程基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，謹(jǐn)慎使用FreeRtos系統(tǒng)。

end


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