一文讓你了解RT-Thread

前言

要學習一項新知識或新的技能，首先要對其有個初步了解，然后再逐步學習如何運用它。

本文作為快速入門 RT-Thread 系列文章的第一篇，首先介紹一下，我當時是如何學習 RT-Thread 的，以及參與官方組織的活動的情況，希望給讀者參考，并有所啟發(fā)。

然后先介紹一下這款國產(chǎn) RTOS 的大概內(nèi)容，做到對 RT-Thread 有個初步的了解。

我的 RT-Thread 學習之路

1. 初識 RT-Thread

記得在 2017 年看到公眾號一篇文章介紹 RT-Thread，文章結(jié)尾留有聯(lián)系方式，可以拉入官方群，本著學習的目的，果斷加微信入群。

那時還不了解 RT-Thread，但是對于 RTOS 已經(jīng)不陌生。已經(jīng)學習過 uCos 和 FreeRTOS 兩款 RTOS 系統(tǒng)。

國產(chǎn) RTOS 還是第一次接觸，并且能進官方技術(shù)交流群，當然要進群去學習了。

在網(wǎng)上搜了一下 RT-Thread 相關(guān)資料，簡單了解了這款國產(chǎn)的 RTOS。

RT-Thread 內(nèi)核的第一個版本是熊譜翔先生在 2006 年年初發(fā)布的 0.1 版本。發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)有十多年的歷史了。

因為 RTOS 中的任務(wù)更類似于通用操作系統(tǒng)中的線程，并且這個系統(tǒng)支持基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度算法。所以把它命名為 RT-Thread，即實時線程。

后來又加了好多官方群，算得上 RT-Thread 的忠實粉絲了。

2. 入門 RT-Thread

由于時間原因，一直沒有真正開始學習 RT-Thread。直到 2018 年官方組織 15 天入門 RT-Thread 培訓，才開始真正地學習 RT-Thread。每天中午抽時間看當天的視頻，然后再實際動手實驗，復習課程學習的內(nèi)容。

當初學習的時候，每天還組織抽獎，既學習了知識，還能獲得獎品。除了點贊還能說啥。當然，我運氣不錯，中了一個開發(fā)板（備注：此處不是炫耀）。

感謝 RT-Thread 官方組織的學習活動。課程學習完畢，自我感覺已經(jīng)入門了。

現(xiàn)在官方視頻學習網(wǎng)址如下：

https://www.rt-thread.org/page/video.html

3. 讀內(nèi)核源碼

入門學習結(jié)束后，覺得不能止于此。當時的想法是要讀一讀源碼，深入到 RTOS 內(nèi)部機制的實現(xiàn)。

然后，開始每天抽一部分時間研究 RT-Thread 內(nèi)核源代碼。逐漸地把內(nèi)核源碼研究了一遍，弄懂了其設(shè)計思想和實現(xiàn)方法。不得不說，代碼寫的非常棒

基于此，較深入地理解了 RTOS 內(nèi)核工作原理。感覺功力又上升了一個層次。

4. 參加網(wǎng)絡(luò)編程學習

后來參加官方組織的 RT-Thread 網(wǎng)絡(luò)編程學習營。每周一個任務(wù)，一共四周。完成后將實現(xiàn)過程形成筆記發(fā)布到官方論壇。

那時候?qū)W習勁頭足，白天上班，晚上回家研究學習任務(wù)。有時候為了解決問題，完成任務(wù)，甚至熬夜調(diào)試代碼。當然對于最后的收獲，卻是值得的。

這期間，不僅對網(wǎng)絡(luò)通信有深入了解，還接觸到了設(shè)備與云端通信，還認識了不少小伙伴。

完成網(wǎng)絡(luò)編程學習營任務(wù)發(fā)布的文章，如下圖

5. 新書提前閱讀

同年（2018年）官方組織新書提前閱讀評審書籍《嵌入式實時操作系統(tǒng)：RT-Thread設(shè)計與實現(xiàn)》，當然要參加啦。

每天閱讀一個章節(jié)，給出修改意見。在閱讀過程中，結(jié)合之前學習 RT-Thread 的知識，算是把 RT-Thread 又系統(tǒng)地學習了一遍。

通過對 RT-Thread 的學習，對 RTOS 的原理有了較深入的理解。自認為把 RTOS 相關(guān)的基礎(chǔ)知識夯實了。

新書出版，官方給送了一本，還有熊大的親筆簽名。

感謝熊大，感謝 RT-Thread 的各位小伙伴，提供了這么好的學習平臺。祝愿 RT-Thread 發(fā)展得越來越好。

了解 RT-Thread

RT-Thread 是一款完全由國內(nèi)團隊開發(fā)維護的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán) 。

RT-Thread，全稱是 Real Time-Thread，它是一個嵌入式實時多線程操作系統(tǒng)，基本屬性之一是支持多任務(wù)。在 RT-Thread 系統(tǒng)中，任務(wù)是通過線程實現(xiàn)的。

RT-Thread 主要采用 C 語言編寫，淺顯易懂，方便移植。它把面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法應(yīng)用到實時系統(tǒng)設(shè)計中，使得代碼風格優(yōu)雅、架構(gòu)清晰、系統(tǒng)模塊化并且可裁剪性非常好。

RT-Thread 系統(tǒng)完全開源， 3.1.0 及以前的版本遵循 GPL V2 + 開源許可協(xié)議。從 3.1.0 以后的版本遵循 Apache License 2.0 開源許可協(xié)議，可以免費在商業(yè)產(chǎn)品中使用，并且不需要公開私有代碼。

RT-Thread 目前分為三個版本：標準版本、Nano 版本、Smart 版本。

詳細了解 RT-Thread，可以訪問官方網(wǎng)站：

https://www.rt-thread.org

RT-Thread 在線文檔網(wǎng)址為：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/

1. 標準版

標準版 RT-Thread 與其他很多 RTOS 如 FreeRTOS、uC/OS 的主要區(qū)別之一是，它不僅僅是一個實時內(nèi)核，還具備豐富的中間層組件。

詳細介紹可參考官方網(wǎng)站：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/README

標準版軟件架構(gòu)如下圖所示。

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是指以操作系統(tǒng)內(nèi)核（可以是 RTOS、Linux 等）為基礎(chǔ)，包括如文件系統(tǒng)、圖形庫等較為完整的中間件組件，具備低功耗、安全、通信協(xié)議支持和云端連接能力的軟件平臺，RT-Thread 就是一個 IoT OS。

2. Nano版本

RT-Thread Nano 是一個極簡版的硬實時內(nèi)核，是一款可裁剪的、搶占式實時多任務(wù)的 RTOS。

其內(nèi)存資源占用極小，功能包括任務(wù)處理、軟件定時器、信號量、郵箱和實時調(diào)度等相對完整的實時操作系統(tǒng)特性。

詳細內(nèi)容可參考官方在線文檔網(wǎng)站：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-nano/an0038-nano-introduction

Nano 版軟件框圖如下，包含支持的 CPU 架構(gòu)與內(nèi)核源碼，還有可拆卸的 FinSH 組件：

3. Smart 版本

RT-Thread Smart 是基于 RT-Thread 操作系統(tǒng)上的混合操作系統(tǒng)，簡稱為 rt-smart，它把應(yīng)用從內(nèi)核中獨立出來，形成獨立的用戶態(tài)應(yīng)用程序，并具備獨立的地址空間（32 位系統(tǒng)上是 4G 的獨立地址空間）。

詳細了解可以訪問官方資料網(wǎng)站：

https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/README

rt-smart 的整體結(jié)構(gòu)框圖如下，在硬件平臺的基礎(chǔ)上通過 MMU、系統(tǒng)調(diào)用的方式把整個系統(tǒng)分成了內(nèi)核態(tài)及用戶態(tài)。

RT-Thread 內(nèi)核

內(nèi)核是操作系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是最重要的部分。下圖為 RT-Thread 內(nèi)核架構(gòu)圖，內(nèi)核處于硬件層之上，內(nèi)核部分包括內(nèi)核庫、實時內(nèi)核實現(xiàn)。

內(nèi)核庫是為了保證內(nèi)核能夠獨立運行的一套小型的類似 C 庫的函數(shù)實現(xiàn)子集。這部分根據(jù)編譯器的不同自帶 C 庫的情況也會有些不同，當使用 GNU GCC 編譯器時，會攜帶更多的標準 C 庫實現(xiàn)。

實時內(nèi)核的實現(xiàn)包括：對象管理、線程管理及調(diào)度器、線程間通信管理、時鐘管理及內(nèi)存管理等等。

內(nèi)核最小的資源占用情況是 3KB ROM，1.2KB RAM。

線程調(diào)度

線程是 RT-Thread 操作系統(tǒng)中最小的調(diào)度單位，線程調(diào)度算法是基于優(yōu)先級的全搶占式多線程調(diào)度算法。

在系統(tǒng)中除了中斷處理函數(shù)、調(diào)度器上鎖部分的代碼和禁止中斷的代碼是不可搶占的之外，系統(tǒng)的其他部分都是可以搶占的，包括線程調(diào)度器自身。

支持 256 個線程優(yōu)先級（也可通過配置文件更改為最大支持 32 個或 8 個線程優(yōu)先級），0 優(yōu)先級代表最高優(yōu)先級，最低優(yōu)先級留給空閑線程使用。

時鐘管理

RT-Thread 的時鐘管理以時鐘節(jié)拍為基礎(chǔ)，時鐘節(jié)拍是 RT-Thread 操作系統(tǒng)中最小的時鐘單位。

RT-Thread 的定時器提供兩類定時器機制：單次觸發(fā)定時器、周期觸發(fā)定時器。

通常使用定時器定時回調(diào)函數(shù)（即超時函數(shù)），完成定時服務(wù)。用戶根據(jù)自己對定時處理的實時性要求選擇合適類型的定時器。

線程同步

RT-Thread 采用信號量、互斥量與事件集實現(xiàn)線程間同步。

線程通過對信號量、互斥量的獲取與釋放進行同步；互斥量采用優(yōu)先級繼承的方式解決了實時系統(tǒng)常見的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題。

線程通過對事件的發(fā)送與接收進行同步；事件集支持多事件的 “或觸發(fā)” 和“與觸發(fā)”，適合于線程等待多個事件的情況。

線程通信

RT-Thread 支持郵箱和消息隊列等通信機制。

郵箱中一封郵件的長度固定為 4 字節(jié)大小；消息隊列能夠接收不固定長度的消息，并把消息緩存在自己的內(nèi)存空間中。

內(nèi)存管理

RT-Thread 支持靜態(tài)內(nèi)存池管理及動態(tài)內(nèi)存堆管理。

動態(tài)內(nèi)存堆管理模塊在系統(tǒng)資源不同的情況下，分別提供了面向小內(nèi)存系統(tǒng)的內(nèi)存管理算法及面向大內(nèi)存系統(tǒng)的 SLAB 內(nèi)存管理算法。

還有一種動態(tài)內(nèi)存堆管理叫做 memheap，適用于系統(tǒng)含有多個地址且不連續(xù)的內(nèi)存堆。使用 memheap 可以將多個內(nèi)存堆 “粘貼” 在一起，讓用戶操作起來像是在操作一個內(nèi)存堆。

I/O 設(shè)備管理

RT-Thread 將 PIN、I2C、SPI、USB、UART 等作為外設(shè)設(shè)備，統(tǒng)一通過設(shè)備注冊完成。實現(xiàn)了按名稱訪問的設(shè)備管理子系統(tǒng)，可按照統(tǒng)一的 API 界面訪問硬件設(shè)備。

在設(shè)備驅(qū)動接口上，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點，對不同的設(shè)備可以掛接相應(yīng)的事件。當設(shè)備事件觸發(fā)時，由驅(qū)動程序通知給上層的應(yīng)用程序。

后續(xù)計劃

作為 RT-Thread 的學習者和受益者，以及對國產(chǎn) RTOS 的支持。愿意付出自己的綿薄之力，把自己學到的知識形成筆記文章分享出來，供有需要的小伙伴作為學習參考。

首先，會盡量以簡單的方式，介紹 RT-Thread 提供的資源如何使用，理論結(jié)合實踐，達到快速入門的效果。

然后，再以專題的形式，介紹內(nèi)核源碼實現(xiàn)的內(nèi)部機制。爭取做到，知其然，知其所以然。

在寫作過程中，難免出現(xiàn)紕漏或者理解偏差的地方，歡迎指正，一起探討交流。

一起學習、一起進步。加油~