为什么要使用操作系统

作者 : 开心源码 本文共1933个字,预计阅读时间需要5分钟 发布时间: 2022-05-12 共134人阅读

为什么要使用操作系统

从51单片机开始使用简单的逻辑系统,慢慢的开始接触ucos、FreeRTOS这类小型的操作系统,到现在开始接触Linux这种大型的开源操作系统,能否有想过为什么要使用操作系统呢?以前简单的逻辑关系不是挺好的,为什么要搞定越来越复杂了。

引入例子

在博客上看到一个例子觉得很好,一步一步引导我们进行思考为什么药使用操作系统。

一般的简单的嵌入式设施的编程思路是下面这样的:

main{    {解决事务1};    {解决事务2};    {解决事务3};        .......    {解决事务N};}isr_server{    {解决中断};}

这是最一般的思路,对于简单的系统当然是够用了,但这样的系统实时性是很差的,比方“事务1”假如是一个客户输入的检测,当客户输入时,假如程序正在解决事务1下面的那些事务,那么这次客户输入将失效,客户的体验是“这个按键不灵敏,这个机器很慢”;

而我们假如把事务放到中断里去解决,尽管改善了实时性但会导致另外一个问题,有可能会引发中断丢失,这个后果有时候比“慢一点”更加严重和恶劣!又比方事务2是一个只要要1s钟解决一次的任务,那么显然事务2会白白白费CPU的时间。

这时,我们可能需要改进我们的编程思路,一般我们会尝试采用“时间片”的方式。这时候编程会
变成下面的方式:

main{      {事务1的时间片到了则解决事务1};      {事务2的时间片到了则解决事务2};               .......      {事务N的时间片到了则解决事务N};}time_isr_server{       {判断每个事务的时间片能否到来,并进行标记};}isr_server{      {解决中断};}

我们可以看到,这种改进后的思路,使得事务的执行时间得到控制,事务只在自己的时间片到来后,才会去执行,但我们发现,这种方式依然不能彻底处理“实时性”的问题,由于某个事务的时间片到来后,也不能立即就执行,她必需等到当前事务的时间片用完,并且后面的事务时间片没到来,她才有机会取得“执行时间”。

这时候我们需要继续改进思路,为了使得某个事务的时间片到来后能立即执行,我们需要在时钟中断里判断完时间片后,改变程序的返回位置,让程序不返回到刚刚被打断的位置,而从最新取得了时间片的事务处开始执行,这样就彻底处理了事务的实时问题。

我们在这个思路上,进行改进,我们需要在每次进入时钟中断前,保存CPU的当前状态和当前事务用到的少量数据,而后我们进入时钟中断进行时间片解决,若发现有新的更紧急的事务的时间片到来了,则我们改变中断的返回的地址,并在CPU中恢复这个更紧急的事务的现场,而后返回中断开始执行这个更紧急的事务。

上面的这段话有些不好读,事实上,这是由于要实现这个过程是有些复杂和麻烦的,这时候我们就需要找一个操作系统(OS)帮我们做这些事了,假如你能自己用代码实现这个过程,事实上你就在自己写操作系统了,其实从这里也可也看出,操作系统的原理其实并不那么神秘,只是少量细节你很难做好。

到这里,我们终于知道了为什么我们需要操作系统了。事实上,操作系统的用处远不止帮你完成这个“事务时间片的解决”,她还能帮你解决各种超时,进行内存管理,完成任务间的通信等,有了她,程序的层次也更加清晰,给系统增加功能也更方便,这一切在大型项目中越发的显著!

1. 多任务,提高实时性

单片机系统就一个main函数,可以看做是只有一个任务在while函数里面一直跑;而多任务则可看做有多个任务同时在跑,每个任务有一个自己的while循环,感觉每个任务都拥有一个CPU,在各自的CPU中做着自己的事情。

这边所说的同时运行,其实不是真的并行执行,而是并发执行。操作系统都有个基准切换时钟,比方为10ms,当有多个任务时,每个任务之间的运行以10ms的频率进行切换运行,这就让人感觉像是所有的任务一起执行的错觉。

操作系统的最大优势就在于任务的并发执行,当然根据不同的操作系统配合中断/优先级等其任务调度的方式不相同。

2. 分板块开发,减少耦合度

操作系统对板块的划分很明确,特别是像Linux这种系统,在开发过程分工更加明确。

如底层驱动中各类驱动都放在各自的文件夹下,i2c、spi、mmc、mtd、usb等等;应用层则一般以进程区分,每个进程之间相互独立,各自完成各自的功能,进程间要通讯可以有多种方式,将各个功能的程序开发进行隔离,减少程序之间的耦合性。

3. 移植性强,在线安装卸载

为什么要使用操作系统的分析就到这边,有感悟时会持续会升级。

注:以上内容都是本人在学习过程积累的少量心得,难免会有参考到其余文章的少量知识,如有侵权,请及时通知我,我将及时删除或者标注内容出处,如有错误之处也请指出,进行讨论学习。文章只是起一个引导作用,详细的数据解析内容还请查看操作系统相关教程,感谢您的查阅。

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