RTOS
微控制器（MCU）广泛应用在各行各业，如各式家电、工业自动化，即时控制、资料采集等领域，为因应工控所需的即时（Realtime）控制、快速回应等需求，因此MCU大多搭载RTOS（即时作业系统）运作。随着物联网的兴起，软体业也为RTOS加入物联网的成分，以提早卡位物联网的核心软体市场…
各种处理器专用之OS
在一般功能（General-purpose）的处理器市场分类中，若以功能与执行速度来说，大致分为CPU > MPU > MCU。CPU的功能最强，主要应用在电脑产品；MPU功能次之，其应用多元，主要应用在嵌入式系统与精简型电脑等多种；而MCU则是以单一应用为主，应用在各式家电、电子产品、嵌入式产品、可穿戴设备、物联网（IoT）应用产品等控制应用。
MCU内部整合了KHz～MHz级的CPU、KB～MB级的记忆体单元（RAM与ROM/EEPROM/Flash）、时脉产生器（Oscillator；Clock Generator）、与I/O扩充单元等，可视为一种速度较慢的系统单芯片（SoC）。
由于内部存储容量小，因此大型作业系统如Windows、Linux等是不可能塞入MCU去执行的，且MCU大多被应用在即时控制的环境，因此许多容量小的RTOS（Real-Time Operating System；即时作业系统），便成为开发MCU软体的主要平台。
主打嵌入式应用的中高阶RTOS
RTOS的种类繁多，主要设计给基于MPU或MCU的嵌入式系统所使用。例如MPU等级专用的有Integrity、QNX、VxWorks等功能强大之 RTOS；至于体积较小巧，主要支援MCU等级为主的RTOS，则有Nucleus、ThreadX、Unison OS、ucOS II/III等等。
以Green Hills Software推出的Integrity OS为例，就是一种支援MPU （甚至CPU等级）为主的RTOS。其强项在于Integrity-178版本已通过EAL 6+（资讯安全）认证与DO-178B（飞安环境） A级认证，被应用在极度重视安全和可靠性的市场，例如战斗机（如B-2、F-16、F-22、F-35）与民航机（如Airbus A380）等领域。该RTOS支援ARM、XScale、Blackfin、Freescale （已并入NXP） ColdFire、MIPS、PowerPC、AMD x86（嵌入式APU）等CPU/MPU平台。
另一个知名的QNX RTOS，采用微核心架构，是唯一成功打入商用市场的OS，其强项是多媒体的即时处理能力，适用于车（机）上娱乐设备与手机等嵌入式市场。QNX于 2010年被BlackBerry购并，并开发出BB 10作业系统。QNX支援IA32、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM、StrongARM、XScale等CPU/MPU平台。
至于像是IntervalZero的RTX、RTX64，则是设计来与微软Windows共存共容的RTOS，搭配EtherCAT协定来做为工厂自动化的应用。其中，Windows主要负责GUI、储存、运算，RTX则负责即时工控与资料采集，让工控软体开发更容易。以上的RTOS都是MB至GB等级的 MPU等级OS，不适用于MCU的环境。
主打MCU应用的商用RTOS
中低阶RTOS部分，主要是把软体功能极尽精简到MB甚至KB等级，使整个OS与主要应用程式，均可以塞入MCU里的ROM/EEPROM/Flash。由于MCU应用的领域更加广泛，其软体必须力求更加精简，因此MCU专用的RTOS大多具备非常高度模组化的架构，从核心、驱动程式、档案系统、周边 I/O、网路支援等，都可以量身订作，以利产品快速上市。
商用的RTOS有些会提供原始码给授权客户，而开源的RTOS则更能自由使用，让开发人员可以编译出程式码最小、最佳化的执行环境。
由于各芯片厂所推出的MCU产品／开发板，都会有其对应的OS与IDE（整合软体开发环境），但这些OS与软体开发环境可能只适用于该厂的MCU产品，因此第三方软体厂商，就开发出跨芯片／跨硬体平台的OS与IDE，让开发人员不须因为换了硬体平台，软体就必须全部改写。
目前MCU OS/IDE市场占有率最高的，大多是软体公司所推出商用RTOS（搭配各厂商的MCU产品），然随着ARM推出Cortex-M、Cortex-R等指令集架构，进军可穿戴与物联网应用市场，使得ARM架构（采开源码）的RTOS开始有提升的趋势。
Mentor Graphics旗下Accelerated Technology公司所推出的Nucleus，采Microkernel设计，号称有30亿个设备导入，优势是核心长度可以小至2KB，且开发人员不需要撰写嵌入式设备专用BSP（开发板支援套装软体），因此被广泛应用到消费性电子、移动设备、车用电子、智能能源、医疗仪器、工业／工控等领域。
早期采用联发科MT6217芯片的大陆山寨、白牌、双卡2G手机，就是执行Nucleus RTOS。该RTOS支援ARM、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、SuperH、XScale等嵌入式MCU架构。
Express Logic推出的ThreadX，则是一套免收权利金的RTOS，其优点是具备超快速的开机时间、反应时间，其Picokernel核心长度低于2KB，并通过安全规范，号称有21亿个设备导入使用。例如HP的旗下印表机和事务机便采用该RTOS。可广泛支援各式32位MCU，包含ARM、Atmel、 BlackFin、CoreFire/68K、EFM32、Freescale （NXP）、FM3、H8、XMC、M-Core、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、STM32、StrongARM、Synopsys ARC、TI、Win32、x86/x386、XScale等等。
Wind River公司所推出的VxWorks，主要针对嵌入式系统设计，采Monolithic （单体式）核心，优势是具备先占式多工处理核心、循环执行、岔断快速反应等特性，原生支援64位处理器架构（x64）、可进行平行（SMP）／非平行 （AMP）处理，累积至今有超过15亿个设备导入。
新版VxWorks 7则瞄准IoT所需要的可扩充性、安全性、连接性、绘图能力、虚拟化等做强化，而全功能的VxWorks微核心长度只要20KB。VxWorks广受科技业界的采用，登陆火星的Curiosity（好奇号）便采用VxWorks。该RTOS支援Intel x86（包含Quark SoC与x86-64）、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM等CPU/MPU架构。
RoweBots公司的Unison OS，则是一款完全相容于POSIX（可移植作业系统界面）的RTOS，适用于MCU、DSC、DSP、SoC、FPGA等32位的硬体开发环境，其好处是特别针对物联网的应用，提升其系统安全性，且核心程式码在某些应用架构可以低到仅1KB。支援Microchip PIC32、Renesas R32C/SH2A、ST STM32、TI ARM Cortex-M3等32位MCU。
Micrium的μc/OS-II （microcontroller OS version 2），主打可携、能在ROM执行、弹性、先占式多工的RTOS核心，可管理高达250个应用任务。μc/OS-III则主打无限应用任务、几近于零的岔断，并可提供原始码给客户。
其优势在于该系统原始码开放、整洁一致、注释详尽，亦通过FAA认证与DO-178B认证，适合各种嵌入式与物联网的系统开发，核心大小从5或 6KB～24KB。至于μc/OS-III HW-RTOS，则是针对ARM Cortex-M为主的MCU做硬体加速。该RTOS可支援超过100种DSP、MPU、MCU。
ARM MCU促使开源RTOS兴起
近年来由于ARM架构的处理器横扫全球智能移动设备（手机／平板）市场，除了搭配各MCU/MPU硬体平台所推出的商用RTOS/IDE之外，为进军物联网与可穿戴的MCU级应用，ARM推出Cortex-M与Cortex-R的指令集架构，搭配开源的OS/IDE来抢占MCU的应用市场。
例如ARM推出的mbed OS与相关开发环境，便着重于嵌入式设备与IoT的应用，具备连接性、高效率、安全性、生产力的OS，搭配其mbed-rtos函式库，亦可做为RTOS的应用。该mbed开发环境，可开发出智能家庭、智能城市、可穿戴等应用产品。
此外，坊间针对ARM平台所推出的开源RTOS/IDE很多，例如FreeRTOS、uKOS-II、Atomthreads、BeRTOS社群版、 ChibiOS/RT、CoActionOS、eCos、Embox、Erika Enterprise/RT-Druid、Keil （ARM） RTX、Lepton、nOS、Nut/OS、NuttX、RIOT、RT-Thread、TI-RTOS-KERNEL（SYS/BIOS）、TNeo 等等，让开发人员有更多的选择。
其他专用MCU的非即时OS概述
此外，也有许多针对MCU设计的开源OS （非RTOS），但同样具有体积小的特性，有些是针对IoT的WSN（无线传感网路）应用，例如Contiki OS、TinyOS。而有些则具备一般桌上型图形化使用界面（GUI），例如SymbOS、Wheels OS等。
Contiki OS是一套开源的微型OS，可应用在Atmel ARM/AVR、LPC、PIC32、TI MSP430/CC2430/2538/2630/2650、STM32W等MCU做IoT应用，也可在博物馆级的8位电脑（Apple II、Atari、Commodore等）做上网连线、甚至在骨灰级游乐器（Atari Jaguar、Game Boy/Advance、GP32、任天堂红白机、PC Engine等）上执行。
至于SymbOS，则是一套能在8位Z80 CPU （如MSX、Amstrad）的古董电脑上执行之免费多媒体图形作业系统，赋予如Windows 95般的操作画面，让旧电脑回春。
来源： eepw.com
作为基于ARM7、Cortex-M3硬件开发的嵌入式工程师，本人一直反对使用RTOS。不仅因为不恰当的使用RTOS会给项目带来额外的稳定性风险，更重要的是个人认为绝大多数基于ARM7、Cortex-M3硬件的项目，还没复杂到使用RTOS的地步，使用状态机就足够了。
对于现代的微处理器，特别是资源相对丰富ARM7、Cortex-M3硬件来说，RTOS占用的硬件资源已经越来越可以忽略。所以在当今环境下，我们无需担心RTOS会拖累性能。相反，RTOS提供的事件驱动型设计方式，使得RTOS只是在处理实际任务时才会运行，这能够更合理的利用CPU。
在实际项目中，如果程序等待一个超时事件，传统的无RTOS情况下，要么在原地一直等待而不能执行其它任务，要么使用复杂（相对RTOS提供的任务机制而言）的状态机机制。如果使用RTOS，则可以很方便的将当前任务阻塞在该事件下，然后自动去执行别的任务，这显然更方便，并且可以高效的利用CPU。处理这类事件，是使用RTOS的最大动力，但考虑到系统的稳定性，不得不再三权衡RTOS可能带来的一些弊端：
1、大多数RTOS代码都具有一定规模，任何代码都可能带来BUG，何况是代码具有一定规模的RTOS，因此引入RTOS的同时也可能会引入该RTOS的BUG，这些RTOS本身的BUG一旦被触发，影响可能是是灾难性的。
2、熟练的使用RTOS是一项技能，需要专业的知识储备和长期的经验积累。不将RTOS分析透彻，很容易为项目埋下错误。典型的，像中断优先级、任务堆栈分配、可重入等，都是更容易出错的地方。
3、RTOS的优先级嵌套使得任务执行顺序、执行时序更难分析，甚至变成不可能。任务嵌套对所需的最大堆栈RAM大小估计也变得困难。这对于很多对安全有严格要求的场合是不可想象的。
4、RTOS应该用于任务复杂的场合，以至于对任务调度的需求可以抵消RTOS所带来的稳定性影响，但大部分的应用并非复杂到需要RTOS。
以上原因是本人拒绝在实际项目中使用RTOS的理由，但是否使用RTOS跟是否学习RTOS完全是两码事。个人认为任何嵌入式软件设计人员都应该至少学习一种RTOS，不仅是需要掌握RTOS背后的操作系统原理、学习RTOS的编程方式，更是为将来做准备。
即便个人认为现在的物联网有点言过其实，但依然看好物联网的发展前景。随着物联网的发展，未来的嵌入式产品必然更为复杂、连接性更强以及需要更丰富的用户界面。当处理这些任务时，一个好的RTOS就变得不可缺少了。
书到用时方恨少，希望大家永远不会有这种感觉。
为什么选用FreeRTOS？
对比了许多RTOS，最后选择FreeRTOS，原因是多方面的：
1、SafeRTOS便是基于FreeRTOS而来，前者是经过安全认证的RTOS，因此对于FreeRTOS的安全性也有了信心。
2、大量开发者使用，并保持高速增长趋势。2011、2012、2013、2014、2015连续5年的EEtimes杂志嵌入式系统市场报告显示，FreeRTOS在RTOS内核使用榜和RTOS内核计划使用榜上都名列前茅。更多的人使用可以促进发现BUG，增强稳定性。
3、简单。内核只有3个.c文件，全部围绕着任务调度，没有任何其它干扰，便于理解学习。而且，根本不需要其它繁多的功能，只要任务调度就够了。
4、文档齐全。在FreeRTOS官方网站上，可以找到所有你需要的资料。
5、免费、开放源码。完全可以免费用于商业产品，开放源码更便于学习操作系统原理、从全局掌握FreeRTOS运行机理、以及对操作系统进行深度裁剪以适应自己的硬件。
学习的资料来源主要是FreeRTOS的官方网站（www.freertos.org）和源代码。FreeRTOS的创始人RichardBarry编写了大量的移植代码和配套文档，只不过是沿着Richard Barry铺好的路前进，所以，这没什么困难的。
附录1:2010~2014年嵌入式市场调查报告有关RTOS使用榜截图
微控制器（MCU）广泛应用在各行各业，如各式家电、工业自动化，实时控制、资料采集等领域，为因应工控所需的实时(Realtime)控制、快速回应等需求，因此MCU大多搭载RTOS（实时操作系统）运行。随著物联网的兴起，软件业也为RTOS加入物联网的成分，以提早卡位物联网的核心软件市场…
各种处理器专用之OS
在一般功能(General-purpose)的处理器市场分类中，若以功能与执行速度来说，大致分为CPU > MPU > MCU。CPU的功能最强，主要应用在计算机产品；MPU功能次之，其应用多元，主要应用在嵌入式系统与精简型计算机等多种；而MCU则是以单一应用为主，应用在各式家电、电子产品、嵌入式产品、穿戴式装置、物联网(IoT)应用产品等控制应用。
MCU内部集成了KHz～MHz级的CPU、KB～MB级的存储器单元(RAM与ROM/EEPROM/Flash)、时脉产生器(Oscillator；Clock Generator)、与I/O扩充单元等，可视为一种速度较慢的系统单芯片(SoC)。
由于内部存储器容量小，因此大型操作系统如Windows、Linux等是不可能塞入MCU去执行的，且MCU大多被应用在实时控制的环境，因此许多容量小的RTOS（Real-Time Operating System；实时操作系统），便成为开发MCU软件的主要平台。
主打嵌入式应用的中高阶RTOS
RTOS的种类繁多，主要设计给基于MPU或MCU的嵌入式系统所使用。例如MPU等级专用的有Integrity、QNX、VxWorks等功能强大之RTOS；至于体积较小巧，主要支持MCU等级为主的RTOS，则有Nucleus、ThreadX、Unison OS、ucOS II/III等等。
以Green Hills Software推出的Integrity OS为例，就是一种支持MPU (甚至CPU等级)为主的RTOS。其强项在于Integrity-178版本已通过EAL 6+?(信息安全)认证与DO-178B(飞安环境) A级认证，被应用在极度重视安全和可靠性的市场，例如战斗机(如B-2、F-16、F-22、F-35)与民航机(如Airbus A380)等领域。该RTOS支持ARM、XScale、Blackfin、Freescale (已并入NXP) ColdFire、MIPS、PowerPC、AMD x86(嵌入式APU)等CPU/MPU平台。
另一个知名的QNX RTOS，采用微核心架构，是唯一成功打入商用市场的OS，其强项是多媒体的实时处理能力，适用于车(机)上娱乐装置与手机等嵌入式市场。QNX于2010年被BlackBerry购并，并开发出BB 10操作系统。QNX支持IA32、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM、StrongARM、XScale等CPU/MPU平台。
至于象是IntervalZero的RTX、RTX64，则是设计来与微软Windows共存共容的RTOS，搭配EtherCAT协定来做为工厂自动化的应用。其中，Windows主要负责GUI、储存、运算，RTX则负责实时工控与资料采集，让工控软件开发更容易。以上的RTOS都是MB至GB等级的MPU等级OS，不适用于MCU的环境。
主打MCU应用的商用RTOS
中低阶RTOS部分，主要是把软件功能极尽精简到MB甚至KB等级，使整个OS与主要应用程序，均可以塞入MCU里的ROM/EEPROM/Flash。由于MCU应用的领域更加广泛，其软件必须力求更加精简，因此MCU专用的RTOS大多具备非常高度模块化的架构，从核心、驱动程序、档案系统、外围I/O、网络支持等，都可以量身订作，以利产品快速上市。
商用的RTOS有些会提供原始码给授权客户，而开源的RTOS则更能自由使用，让开发人员可以编译出程序码最小、最佳化的执行环境。
由于各芯片厂所推出的MCU产品／开发板，都会有其对应的OS与IDE(集成软件开发环境)，但这些OS与软件开发环境可能只适用于该厂的MCU产品，因此第三方软件厂商，就开发出跨芯片／跨硬件平台的OS与IDE，让开发人员不须因为换了硬件平台，软件就必须全部改写。
目前MCU OS/IDE市场占有率最高的，大多是软件公司所推出商用RTOS(搭配各厂商的MCU产品)，然随著ARM推出Cortex-M、Cortex-R等指令集架构，进军穿戴式与物联网应用市场，使得ARM架构(采开源码)的RTOS开始有提升的趋势。
Mentor Graphics旗下Accelerated Technology公司所推出的Nucleus，采Microkernel设计，号称有30亿个装置导入，优势是核心长度可以小至2KB，且开发人员不需要撰写嵌入式装置专用BSP(开发板支持软件包)，因此被广泛应用到消费性电子、行动装置、车用电子、智能能源、医疗仪器、工业／工控等领域。
早期采用联发科MT6217芯片的大陆山寨、白牌、双卡2G手机，就是执行Nucleus RTOS。该RTOS支持ARM、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、SuperH、XScale等嵌入式MCU架构。
Express Logic推出的ThreadX，则是一套免收权利金的RTOS，其优点是具备超快速的开机时间、反应时间，其Picokernel核心长度低于2KB，并通过安全规范，号称有21亿个装置导入使用。例如HP的旗下打印机和事务机便采用该RTOS。可广泛支持各式32位元MCU，包含ARM、Atmel、BlackFin、CoreFire/68K、EFM32、Freescale (NXP)、FM3、H8、XMC、M-Core、MicroBlaze、MIPS、Nios II、Power、STM32、StrongARM、Synopsys ARC、TI、Win32、x86/x386、XScale等等。
Wind River公司所推出的VxWorks，主要针对嵌入式系统设计，采Monolithic (单体式)核心，优势是具备先占式多工处理核心、循环执行、岔断快速反应等特性，原生支持64位元处理器架构(x64)、可进行平行(SMP)／非平行(AMP)处理，累积至今有超过15亿个装置导入。
新版VxWorks 7则瞄准IoT所需要的可扩充性、安全性、连结性、绘图能力、虚拟化等做强化，而全功能的VxWorks微核心长度只要20KB。VxWorks广受科技业界的采用，登陆火星的Curiosity(好奇号)便采用VxWorks。该RTOS支持Intel x86(包含Quark SoC与x86-64)、MIPS、PowerPC、SH-4、ARM等CPU/MPU架构。
RoweBots公司的Unison OS，则是一款完全兼容于POSIX(可移植操作系统接口)的RTOS，适用于MCU、DSC、DSP、SoC、FPGA等32位元的硬件开发环境，其好处是特别针对物联网的应用，提升其系统安全性，且核心程序码在某些应用架构可以低到仅1KB。支持Microchip PIC32、Renesas R32C/SH2A、ST STM32、TI ARM Cortex-M3等32位元MCU。
Micrium的μc/OS-II (microcontroller OS version 2)，主打可携、能在ROM执行、弹性、先占式多工的RTOS核心，可管理高达250个应用任务。μc/OS-III则主打无限应用任务、几近于零的岔断，并可提供原始码给客户。
其优势在于该系统原始码开放、整洁一致、注释详尽，亦通过FAA认证与DO-178B认证，适合各种嵌入式与物联网的系统开发，核心大小从5或6KB～24KB。至于μc/OS-III HW-RTOS，则是针对ARM Cortex-M为主的MCU做硬件加速。该RTOS可支持超过100种DSP、MPU、MCU。
ARM MCU促使开源RTOS兴起
近年来由于ARM架构的处理器横扫全球智能行动装置(手机／平板)市场，除了搭配各MCU/MPU硬件平台所推出的商用RTOS/IDE之外，为进军物联网与穿戴式的MCU级应用，ARM推出Cortex-M与Cortex-R的指令集架构，搭配开源的OS/IDE来抢占MCU的应用市场。
例如ARM推出的mbed OS与相关开发环境，便着重于嵌入式装置与IoT的应用，具备连接性、高效率、安全性、生产力的OS，搭配其mbed-rtos函式库，亦可做为RTOS的应用。该mbed开发环境，可开发出智能家庭、智慧城市、穿戴式等应用产品。
此外，坊间针对ARM平台所推出的开源RTOS/IDE很多，例如FreeRTOS、uKOS-II、Atomthreads、BeRTOS社群版、ChibiOS/RT、CoActionOS、eCos、Embox、Erika Enterprise/RT-Druid、Keil (ARM) RTX、Lepton、nOS、Nut/OS、NuttX、RIOT、RT-Thread、TI-RTOS-KERNEL(SYS/BIOS)、TNeo等等，让开发人员有更多的选择。
其它专用MCU的非实时OS概述
此外，也有许多针对MCU设计的开源OS (非RTOS)，但同样具有体积小的特性，有些是针对IoT的WSN(无线感测网络)应用，例如Contiki OS、TinyOS。而有些则具备一般桌上型图形化使用接口(GUI)，例如SymbOS、Wheels OS等。
Contiki OS是一套开源的微型OS，可应用在Atmel ARM/AVR、LPC、PIC32、TI MSP430/CC2430/2538/2630/2650、STM32W等MCU做IoT应用，也可在博物馆级的8位元计算机(Apple II、Atari、Commodore等)做上网联机、甚至在骨灰级游乐器(Atari Jaguar、Game Boy/Advance、GP32、任天堂红白机、PC Engine等)上执行。
至于SymbOS，则是一套能在8位元Z80 CPU (如MSX、Amstrad)的古董计算机上执行之免费多媒体图形操作系统，赋予如Windows 95般的操作画面，让旧计算机回春。
文章来源：电子时报
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