实时操作系统(RTOS)工作原理

本文主要是介绍实时操作系统(RTOS)工作原理，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

实时操作系统

实时操作系统（RTOS）是一种专门设计用于保证系统对事件或请求作出响应的时限要求的操作系统。这类系统广泛应用于工业控制、航空航天、汽车电子、医疗设备、物联网等领域，其中关键的工作原理包括任务调度、信号量、互斥锁、队列等同步与通信机制。以下对这些核心概念进行详细说明：

1. 任务调度

任务（Task）：在RTOS中，任务是可并发执行的基本单位，也称为线程或进程。每个任务具有独立的上下文（如寄存器状态、堆栈空间）和优先级，代表一个特定的功能模块或服务。任务的状态通常包括就绪、运行、阻塞（等待）和挂起等。

调度策略：RTOS采用预定义的调度策略来决定何时切换任务。最常用的策略包括：

抢占式调度：当一个新的更高优先级任务就绪时，调度器立即停止当前运行的较低优先级任务，转而执行高优先级任务。这种方式确保了高优先级任务的即时响应。
非抢占式调度：在同一优先级的任务间，调度器按照某种顺序（如先来先服务、时间片轮转等）进行调度。高优先级任务始终优先执行，但同一优先级的任务一旦开始运行，除非主动放弃CPU或进入阻塞状态，否则不会被较低优先级的任务打断。
调度算法：RTOS采用不同的算法来实现上述调度策略，如优先级驱动调度、时间片轮转调度、抢占式优先级调度与时间片相结合的混合调度等。

2. 信号量

信号量（Semaphore）：是一种用于任务间同步与资源管理的抽象数据类型。它是一个计数器，其值表示相应资源的可用数量。信号量有两种基本操作：

P操作（Wait或Down操作）：申请资源。如果信号量的值大于0，则将其减1并允许任务继续执行；若信号量值为0，则任务进入等待队列直至资源释放。
V操作（Signal或Up操作）：释放资源。将信号量值加1，如果因此使得信号量值大于0且有等待的任务，唤醒优先级最高的等待任务。
分类：

计数型信号量：计数值无上限，可用于保护可重入的、数量有限的资源。
二值信号量（Binary Semaphore）：相当于互斥锁，计数值只能为0或1，用于保护独占资源，确保任何时候只有一个任务能访问。

3. 互斥锁（Mutex）

互斥锁是一种特殊的二值信号量，专用于防止多个任务同时访问临界区（Critical Section），即一段需要独占访问的代码或数据。互斥锁具有以下特点：

锁定与解锁：任务通过lock操作获取互斥锁（如果锁已被占用，则阻塞），执行完临界区代码后通过unlock操作释放互斥锁。
优先级继承：某些RTOS（如Huawei LiteOS）的互斥锁支持优先级继承算法，当高优先级任务因等待互斥锁而被阻塞时，会暂时提升持有锁的低优先级任务的优先级，以防止优先级反转问题（即低优先级任务持续阻塞高优先级任务）。