嵌入式OS入門筆記-以RTX爲案例：一.簡介
最近在做OS相關的項目，一方面涉及到大量（通用）操作系統的概念和理解，另一方面要深入到一個小實時操作系統的源代碼中，並在此操作系統上開發應用。雖然說內容上並不難，但是操作系統本身是一個非常基礎，影響深遠的計算機科技的小分支，所以把操作系統的知識重新整理一遍，同時結合實時操作系統的實際情況，形成這樣一套筆記，一是對項目的一個回顧，另外也方便將來回來查閱吧。
1.操作系統的角色
OS其實是一個很宏大的概念，不好捉摸。根據維基百科的定義，OS是一組管理硬件和爲應用軟件提供服務的軟件。這個說法很精練但依然抽象。我覺得大部分OS扮演着兩個最主要的角色：硬件的抽象表達者和資源的管理者。
硬件的抽象
如果要讀取硬盤中的某一個數據，首先得確定盤片，然後確定磁道和扇區，最後通過磁頭讀取進內存。這實際上是一系列複雜的機械和電子的操作，雖然說複雜，但是影響最終運作結果的因素（讀寫地址）不多，大部分操作是對於不同的讀寫都是相同的。如果每一次執行讀寫硬盤操作，應用程序都要明確地對硬件作出準確的指示，那麼應用程序會臃腫無比，程序員也會爲編寫這樣的程序感到非常無趣。
正如David Wheeler的那句名言：“Any problem in computer science can be solved with another layer of indirection.”OS的首要任務正是把這些繁雜的底層硬件的執行細節隱藏，提供給程序和用戶一個相對抽象的概念。例如把一系列的機械和電子操作轉化爲簡單的一句代碼-讀取硬盤（地址）。
一般普通計算機使用者之所以不熟悉底層的這些細節，也正是因爲有OS，這個硬件的抽象的存在。他們對計算機運作的認識，只是一個建立在OS基礎之上的心理模型（mental model）。
![]()
![]()
![]()
Hard Disk Driver - 《Operating System Concepts》
資源的管理
最早期的計算機是沒有操作系統的，一般會有一個操作人員（operator）負責給程序排序，安排下一個時間段運行何程序。其實這就是操作系統的雛形，而這時這個操作人員的主要任務就是分配計算機資源。操作系統的核心其實就是資源的分配和管理，特別是在多程序（multiprogramming）的環境下。如何優化資源的分配，減少有害的競爭，提高某些資源的共享效率，都是操作系統關心的核心話題。這裏說的資源主要指的是硬件資源，例如內存，CPU，網絡帶寬和I/O等等。
其實縱觀很多OS的教科書的組織，一般主要的討論話題不外乎進程，內存和外設。這些話題都離不開OS的這兩個角色，例如進程管理，很大一部分就是關於資源的分配，而進程本身又是OS對程序的一個抽象。所以我覺得具體學習研究OS時，只要能夠抓住1.它抽象的對象和抽象的程度；2.如何合理的優化資源的安排，就能夠達到學習研究的目的。
2.實時操作系統
其實嵌入式操作系統不一定就是實時操作系統（RTOS），反之亦然。但很多場合下嵌入式開發應用都對實時性的要求很高，所以這兩個概念經常混用。RTOS最突出的就是它要在deadline之前完成任務，其中又分兩種，一種是硬deadline，如果不能在規定deadline前完成，那麼後果會很嚴重甚至產生一些致命的錯誤；而軟deadline則稍微寬鬆一點，即使不能夠在deadline前完成，deadline後繼續完成任務直至完成也是可以接受的。
一個很通常的誤區就是，RTOS和通用OS的最大差別是RTOS要快。雖然速度快很重要，但這不是RTOS的核心特徵。RTOS最爲重要的是其行爲的決定性（determinism）和可預測性（Predictability），同時RTOS對系統的響應速度要求也很高。當然，RTOS的容錯，糾錯能力也要足夠強。
這些特性其實都是一些極端工業環境下對OS的要求，例如在覈反應和化學反應中，非常精確的控制，特別是在時間上的控制，往往決定了整個工業過程的成敗，而且失敗的代價往往非常高。所以一個好的RTOS，雖然沒有一些通用的操作系統全面，但其行爲的差異（variance）會比通用OS小得多。
3.RTX
我會以Keil開發的RTX實時操作系統作爲主要的參考操作系統。這裏面有幾個原因：
- RTX五臟俱全，是個完整且優秀的實時操作系統
- RTX對ARM設備Cortex-M系列的芯片有比較好的支持(自家產品)
- 更重要的是，RTX不僅免費，而且其代碼是開放的，是可以自由查閱的！
這些基本情況就寫到這裏，下次我會更具體地介紹一下RTX和其他涉及到的工具。
