嵌入式开发中可能面临的问题
0 2023-12-04

嵌入式开发中可能面临的问题

1 并发性问题

程序并发工作效率低在写裸机软件时,不可避免的在主程序中会有一个超级大的 while(1) 循环,这里面几乎包含整个项目的所有业务逻辑。因为每个业务逻辑里面都会有 delay 这样的循环等待函数,这样导致了所有的业务逻辑几乎都是串行起来工作的。这个时候 CPU 就会有很多时间都浪费在了延时函数里,一直在空转,导致软件的并发效率非常差。

2 模块化:高内聚、低耦合的原则

从软件工程的角度,我们在做软件开发时,都会强调高内聚、低耦合的原则。而裸机的模块化开发难度非常大,模块间的耦合较重,这也导致了无法在大型项目使用裸机来开发。

还是刚才 main 函数中大 while(1) 的例子,可以想象到那么多功能都紧紧的挤在一个函数里,不可拆分,模块化开发的困难重重。

举一个非常贴切的例子,在一些使用看门狗的项目中,如果使用 delay 延时函数,那得注意点,万一延时过长,主函数来不及喂狗,看门狗就被触发了。最后会产生这样一种感觉,一个简简单单的 delay 还得考虑喂狗功能,裸机开发时操的心太多了,自然无法应用在大型项目中。

3 生态:很多高级软件组件,必须依赖于操作系统来实现

比如说,我前些年开源过一个基于 FreeModbus 的 Modbus 主机协议栈,因为要考虑各个平台适配问题,原本计划支持各种各样的操作系统,甚至是裸机平台。在各个操作系统上的适配都非常容易,但再去尝试着适配裸机时,发现难度重重,有一些函数在裸机上实现起来非常复杂,而且针对于不同的裸机环境,几乎没有通用性可言,太耗费精力了。所以我最终就放弃了裸机适配,一直到现在,在裸机上还是没法用这个 Modbus 主机协议栈。

还有一些软件无法运行在裸机上,比如:乐鑫、Realtek、 ti 和 联发科 提供的 WIFi SOC SDK ,一些蓝牙 SOC 的 SDK 也都是只支持操作系统,所以,如果你不了解、不会使用操作系统,这些芯片也就玩不转了。

4 实时性:功能复杂的情况下,实时性无法保证

软件的实时性在一些领域会有一定的要求,软件的每个步骤必须在指定的时间被触发。工控领域就是最常见到的场景,如果实时性无法保证,机械设备可能就无法按照指定时序要求去动作,以至于发生机械事故,甚至会威胁到人的生命。回过来接着看裸机软件,如果软件变得庞大以后,可以想象到,主程序中那么大的一个 while(1) 循环,代码耦合严重,到处都是 delay 延时,要保证实时性几乎是不可能的。

5 可重用性:软件可重用性差,总是重复造轮子

可重用性与模块化程度有直接的关系。相信大家每个人在工作中都不想做很多重复性的工作,同样在写代码时,也想着尽可能少写一些功能相似的代码。但在这个嵌入式碎片化极其严重的时代,各式各样的芯片,想要让同样的代码,在裸机环境下同时适配不同的硬件,难度非常大。这样也就导致了裸机的代码会过多的依赖于底层硬件,重复造轮子的过程也就不可避免。

RTOS带来的优势

第一次接触操作系统,是在 2010 年左右,那时 STM32 已经开始流行起来,这么强大的单片机,有很多人都在上面跑操作系统,我也跟着移植了 ucos ,在上面还跑了 ucgui ,这个时候写应用完全是一种全新的体验,爽了很多,玩了一年了 ucos ,后来接触到咱们国产的 RT-Thread ,在它上面有很多现成的、拿来即用组件,试用以后发现更爽,就一直用到了今天,大概有 8 年了。也跟大家也聊一聊操作系统的优势:

线程方式的并发任务处理,解决模块化问题,同时保证实时性

1 模块化

使用了操作系统以后,整个软件的工作被拆分成了由多个任务来构成(也会被称为线程),每个线程有自己独立的运行空间,即线程堆栈,这个时候每个线程你玩你的,我做我的,咱们大家互补干涉,模块化程度得到很好的提高。

2 并发性

从并发的角度来看,各个线程在使用 delay/事件等待 这类函数时,会自动的让出 CPU 给其他有需要的线程,不仅书写 delay 延时函数操的心少了,整个 CPU 的利用率也得到了提高,最终提升并发性。

3 实时性

再来看实时性,像 ucos/RT-Thread 这些 RTOS 本身就被设计为实时的操作系统,各个线程都有不同的优先级别,重要的线程可以设为高优先级,不重要的线程可以降低优先级,做好全局的统筹规划后,这样整个软件的实时性也能得到保证。

4 开发效率

由于操作系统提供了统一的抽象接口层,方便了可重用组件的积累,提高开发效率

操作系统其实是一群软件大牛们智慧的结晶,他们站在应用软件、底层驱动的开发角度,对很多常见的软件功能进行了封装、抽象,比如:信号量、事件通知、邮箱、环形缓冲区、单向链表/双向链表等等,这些功能拿来即用,对于开发者方便极了

还有一些操作系统,比如:Linux 和我们国产的 RT-Thread ,他们这些系统对碎片化的硬件,统一封装了一套标准的硬件操作接口,一般称为设备驱动框架。这样我们的应用软件工程师,就可以专攻应用的工作,再也不用怕更换硬件,又需要重复造轮子了。

5 软件生态

生态的丰富带来了量变到质变的过程:

从自己玩,转变为大家一起玩。

使用操作系统所带来的软件可模块化、重用性的提升,也使得我们自己在做软件开发时,可以封装一套基于操作系统、适合嵌入式的可重用组件,这些组件不仅可以用在自己的项目中,还能开源出来分享给更多有需要的嵌入式开发者,把软件的价值最大化。

个人感觉这是一件蛮有意义事情,我自己本身也是一名开源极客,也有在 GitHub 上开源一些嵌入式软件。说实话在做开源软件前,能够深入交流嵌入式软件的地方非常少,毕竟大家的代码不是芯片不一样,就是硬件不一样,你的代码给了他,也不一定能运行起来。但是自从用了操作系统后,软件的可重用性提高了,能够让更多的人很迅速的用起来我的开源软件,这个时候能够有更多的人可以一起交流,还接触到了很多的大牛们,甚至是国外的朋友。俗话说:水涨船高,我的能力也从此得到了快速的提升。所以总结下来,有一个能一起交流嵌入式软件圈子还是蛮重要的,自己闭门造车,可能都是在重复造轮子。

常见RTOS对比
ucos/freertos/RT-Thread,选择这三款 OS 的原因是,它们的年限都比较长了,在市面上都蛮有知名度,用过的人比较多,更有说服力。 值得一提的是,在CubeMX工具中有FreeRTOS,支持很方便。如果是STM32开发的话,FreeRTOS基本是入门RTOS的首选了。
1 基本功能、性能 各家 RTOS 差异很小,可比性并不是很大。2 易用性/可读性 这块 FreeRTOS 应该说是最差,奇葩的匈牙利命名法,代码实现用了很多宏,可读性非常差。ucos 可读性还可以,注释也很全。这块做的比较好的是 RT-Thread ,它是类 Linux 的代码风格,面向对象的设计模式,代码简洁易懂。在保证了体积(最小 ROM:3K RAM:1.5K)的同时,还借鉴了 Linux 的设备驱动框架、虚拟文件系统、Shell 等功能,设计更加优雅。3 组件丰富性 RT-Thread 比起传统 UCOS、FreeRTOS 不仅仅在基础功能上多而全,多达 50 个以上的可重用软件组件,还有很多物联网组件,对于物联网产品几乎做到开箱即用。RT-Thread 还可以运行 Python、Java、Lua 这些高级语言的脚本,进一步降低开发难度。4 开发资料 这块 ucos 做的最好,还有配套相关的书籍,FreeRTOS 属于后起之秀,网上也有很多相关资料。RT-Thread 这块之前还是略显薄弱的,不过现在 RT-Thread 对这块非常重视,最直观的可以看到官网上的应用笔记越来越多了,还有一些配套教学视频。5 版权 ucos 商业是要收费的,FreeRTOS 和 RT-Thread 版权都很宽松,特别是RT-Thread刚刚使用了Apache许可协议。6 社区生态 这三款 RTOS 的社区都比较活跃,现在可以感觉到 ucos 慢慢的用的人越来越少了,RT-Thread 和 FreeRTOS 用的人都在增多。RT-Thread 也是开发者最多的国产 RTOS,并且还拥有国内最大的嵌入式开源软件社区。
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