https://www.hugoshih.com/zh-tw/tags/mcu/Recent content in MCU on 施星宇Hugo -- gohugo.iozh-Hant-TWMon, 06 Jan 2025 15:32:31 +0800https://www.hugoshih.com/zh-tw/p/%E5%B8%B8%E8%A6%8B-real-time-os-%E4%BB%8B%E7%B4%B9%E8%88%87%E6%AF%94%E8%BC%83/Mon, 06 Jan 2025 15:32:31 +0800https://www.hugoshih.com/zh-tw/p/%E5%B8%B8%E8%A6%8B-real-time-os-%E4%BB%8B%E7%B4%B9%E8%88%87%E6%AF%94%E8%BC%83/<img src="https://i.imgur.com/7SJYZ3b.jpg" alt="Featured image of post 常見 Real-Time OS 介紹與比較" /><h2 id="介紹">介紹 </h2><p>即時作業系統（Real-Time Operating System, RTOS）是一種專門為即時（real-time）應用而設計的作業系統，強調「在特定時間限制內（deadline）對事件進行回應」，試想一個情境在工業的領域若機器某部分突然產生故障，需要在極短的時間內停止所有馬達的運作，若此時使用的是傳統的作業系統如Linux，依OS內核的調度策略，最終馬達停止的動作會有些許延遲，相較之下RTOS則可以有較彈性的執行緒搶佔，讓緊急情況的處理可以更快被執行</p> <p>本質上來說RTOS的內核使用起來的效果是大同小異的，基本上能做到多個執行緒的建立、輪詢執行、優先序搶佔、互斥鎖、內核級的中斷等功能，進階一點的則有可以動態記憶體管理、多核心的支援，這些RTOS主要的差異大多是在外圍模組的支援、周邊的開發生態系等，以下就分別介紹目前主流常見的幾種RTOS:</p> <h3 id="freertos"><a class="link" href="https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS" target="_blank" rel="noopener" >FreeRTOS</a> </h3><p>FreeRTOS 是由 Real Time Engineers Ltd. 及 Amazon 維護，完全開源並且在全球廣受使用，FreeRTOS 可以說是最最最常見的一種RTOS，成功之道大概在於早早就開源，早早就被各家IDE整合，各家晶片的SDK也都可以看到他的影子，我最早接觸他是在Arduino IDE，FreeRTOS早早就出現在Arduino library list中，使用起來也夠簡單，沒有什麼複雜的設定，加一兩行code就可以實現多執行緒，讓初學者很容易就可以踏入RTOS的世界。他背後的金主爸爸是 Amazon，後來也整合了不少 AWS 上IoT相關的功能，由於早早就開源，周圍的模組也不少。</p> <h3 id="azurertos-threadx"><a class="link" href="https://github.com/eclipse-threadx/threadx" target="_blank" rel="noopener" >AzureRTOS (Threadx)</a> </h3><p>ThreadX 是由 Express Logic 開發的即時作業系統（RTOS），後續被 Microsoft 收購並推出更名版本 AzureRTOS 並開源，從名字就可以看出來未來應該是要跟微軟的 Azure 搭配做一些IoT的功能，但目前好像還沒看到什麼殺手級的應用。由於開源的時間比較晚，周圍的套件比較少，像BLE、Wifi這類的Stack能用的東西好像比較少，但相信有微軟原生的支援應該可以成長的很快，我會碰到 AzureRTOS 是因為 STM32 官方原生支援 AzureRTOS，很有趣的是 STM32 的開發環境也有支援 FreeRTOS，但支援度是遠遜於 AzureRTOS 的。</p> <h3 id="zephyr"><a class="link" href="https://github.com/zephyrproject-rtos/zephyr" target="_blank" rel="noopener" >Zephyr</a> </h3><p>Zephyr 是由 Linux 基金會（Linux Foundation）主導的開源即時作業系統（RTOS），Zephyr雖然出現很久了，但算是這幾年才突然紅起來，主打一個跨平台的相容性和完整的開發工具鏈，有像是West這種很好用的工具、也有像是DeviceTree者種為跨平台設計的架構，可以說要用Zephyr就要連著這一整串工具鏈一起用才會好用，不過好像也是因為綁著工具鏈跟相容性的原因，好像各家晶片雖然說有支援，但好像又支援的沒那麼好，特別是牽涉到很底層的硬體設定(像時鐘樹設定)就會變的特別麻煩，如果沒有這種需求就蠻好用的，很多設定、初始化都幫你省略了。會碰到Zephyr是因為使用 Nordic 的藍牙 SoC，最新的的 nrf connect SDK 基本上是建立在 Zephyr 上的，而 Zephyr 通訊相關的套件也很完整，很適合給 Nordic 的晶片用。</p> <h3 id="rt-thread"><a class="link" href="https://github.com/RT-Thread/rt-thread" target="_blank" rel="noopener" >RT-Thread</a> </h3><p>RT-Thread 是一款由中國團隊主導開發的開源即時作業系統（RTOS），在中國的嵌入式系統開源社群算蠻熱門的，對中國製MCU(特別是一些RISC-V的晶片)支援度很好，但其他地方就比較少看到有人在用，跟Zephyr一樣也有蠻多工具可以使用，我自己還沒有用過，但讓我印象深刻的是RT-Thread社群有一個可以一鍵生成 STM32 bootloader 的工具，不過要使用要註冊帳號，而且還限定用中國的電話才能註冊&hellip;，就對中國以外的開發者不是很友好。</p> <h2 id="比較">比較 </h2><h3 id="幾種rtos的差別">幾種RTOS的差別 </h3><table> <thead> <tr> <th><strong>名稱</strong></th> <th><strong>AzureRTOS (ThreadX)</strong></th> <th><strong>FreeRTOS</strong></th> <th><strong>Zephyr</strong></th> <th><strong>RT-Thread</strong></th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>維護者</strong></td> <td>- 原為 Express Logic 開發，現由 Azure (Microsoft) 管理 <br/> - 被微軟購買後開源</td> <td>- AWS（Amazon）及大社群共同維護 <br/> - 開源專案，有廣大社群支援</td> <td>- 由 Linux Foundation 托管 <br/> - 眾多主要產業贊助商與貢獻者（如 Intel、Nordic 等）</td> <td>- 中國嵌入式廠商與RT-Thread 社群</td> </tr> <tr> <td><strong>授權</strong></td> <td>- MIT 授權 (開源版本)</td> <td>- MIT 授權 <br/> - 完全開源、商業可使用</td> <td>- Apache 2.0 授權 <br/> - 完全開源</td> <td>- LGPL 授權 <br/> - 可商業使用，但需遵守 LGPL 條款</td> </tr> <tr> <td><strong>主要特色</strong></td> <td>- 小巧的記憶體佔用 <br/> - 高效能可搶先式多工 <br/> - 整合除錯功能、其他外設控制模組</td> <td>- 模組化設計，可高度客製化內核 <br/> - 協同式及可搶先式多工 <br/> - 詳細文件與巨大社群，支援度高</td> <td>- 跨平台相容性好 <br/> - 追蹤與分析工具完善 <br/> - 與 Percepio Tracealyzer 整合</td> <td>- 輕量化設計與微核心架構 <br/> - 效率高，啟動速度快 <br/> - 著重模組化與易用性</td> </tr> <tr> <td><strong>使用門檻</strong></td> <td>- 門檻中 <br/> - 提供專門的 API 與工具鏈 <br/> - 原生支援STM32，其他晶片支援則較少</td> <td>- 門檻低 <br/> - 文件全面且社群龐大 <br/> - 新手上手相對容易，維護成本低</td> <td>- 門檻高 <br/> - 須熟悉成套的開發工具鏈 <br/> - 社群與企業資源豐富，難度取決於應用深度</td> <td>- 門檻中 <br/> - 設計較為精簡易懂 <br/> - 模組化讓功能可彈性擴充，但仍需對 RTOS 原理有基礎理解</td> </tr> <tr> <td><strong>社群與生態</strong></td> <td>- 因 Microsoft Azure 加持，工業界支持度高 <br/> - 開源時間較晚，社群支援相較少</td> <td>- 擁有極為廣泛的使用者社群 <br/> - 豐富的第三方套件與論壇資源</td> <td>- 企業和開源社群雙管齊下 <br/> - 大型廠商投入資源開發並提供硬體支援 <br/> - 文件與套件工具逐漸成熟</td> <td>- 亞洲市場擁有極大用戶基礎 <br/> - 社群不斷壯大，第三方資源也逐年提升</td> </tr> <tr> <td><strong>適用範圍</strong></td> <td>- 消費電子、工業設備 <br/> - 高度資源受限或需要高效能的應用</td> <td>- 廣泛用於各類微控制器與嵌入式裝置 <br/> - 適合中小型專案或原型開發</td> <td>- 高度跨平台相容性的產品 <br/> - 需要整合多種通訊協定的裝置</td> <td>- 小型物聯網裝置、家電產品、工業控制等 <br/> - 適合資源有限且需高即時性的情境</td> </tr> <tr> <td><strong>範例</strong></td> <td>- 高度整合 SoC 平台 <br/> - 網路裝置、醫療器械、消費性電子設備 <br/> - 資源特別有限但需穩定度的系統</td> <td>- 物聯網邊緣設備 <br/> - 小型感測器、可攜式產品 <br/> - 工業自動化控制</td> <td>- 高速通訊設備 <br/> - 需要完整追蹤與調試能力的工業設備 <br/> - 精密儀器及高可靠度應用</td> <td>- 嵌入式微控制器 <br/> - 智能家居與可穿戴式裝置 <br/> - 需要快速啟動、高效率排程的場景</td> </tr> </tbody> </table> <h3 id="內核功能層面的差異">內核功能層面的差異 </h3><table> <thead> <tr> <th><strong>名稱</strong></th> <th><strong>AzureRTOS (ThreadX)</strong></th> <th><strong>FreeRTOS</strong></th> <th><strong>Zephyr</strong></th> <th><strong>RT-Thread</strong></th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td><strong>內核架構</strong></td> <td>- 輕量級、模組化設計 <br/> - 單核心即時系統 <br/> - 提供 preemption-threshold</td> <td>- 單核心設計 <br/> - 透過設定檔自由啟用/停用功能 <br/> - 針對 MCU 移植方便</td> <td>- 類微核心（microkernel）概念 <br/> - Kconfig 編譯時可裁剪/擴充 <br/> - 可支援多核心 (SMP)</td> <td>- 微核心 + 模組化 <br/> - 通過 Packages 擴充 <br/> - 預設核心輕量、啟動速度快</td> </tr> <tr> <td><strong>排程機制</strong></td> <td>- 可搶先式多工 <br/> - 優先順序排程 <br/> - preemption-threshold 降低不必要的搶先</td> <td>- 可搶先式或協同式多工 <br/> - 時間片 (time slicing) 可選 <br/> - 任務通知提高效能</td> <td>- 可搶先式/協同式混合 <br/> - 支援多核心下的任務搬移 <br/> - 彈性設定時間片與搶先策略</td> <td>- 以優先順序為基礎的可搶先式 <br/> - 切換開銷低 <br/> - 適合時限嚴苛的應用</td> </tr> <tr> <td><strong>中斷管理</strong></td> <td>- 提供快速中斷響應 <br/> - ISR 中可使用 IPC 原語 <br/> - 建議複雜邏輯放在 Thread</td> <td>- 有完整的中斷優先級設定規範 <br/> - 提供「FromISR」API 與核心互動 <br/> - 避免高優先級中斷封鎖 RTOS 服務</td> <td>- 針對不同架構有對應方法 <br/> - 允許在 ISR 後半段做較複雜處理 <br/> - 支援 <code>irq_offload</code></td> <td>- 中斷入口/出口簡潔 <br/> - 可在 ISR 裡做任務喚醒或 IPC <br/> - 建議將重任務放在中斷後處理或 Task</td> </tr> <tr> <td><strong>任務通訊與同步</strong></td> <td>- 提供 Semaphore、Mutex、Event Flags、Message Queue <br/> - Block Pool / Byte Pool 作為底層資源</td> <td>- 有 Queue、Semaphore、Mutex、Event Group、Task Notification <br/> - Queue 是核心溝通管道</td> <td>- 提供 Queue、FIFO、LIFO、Pipe、Mailbox、Semaphore、Mutex 等多樣化機制 <br/> - 信號（Signals）/事件等高階通訊</td> <td>- 提供 Semaphore、Mutex、Event、Mailbox、Message Queue <br/> - 模組化 API，易於擴充</td> </tr> <tr> <td><strong>記憶體管理</strong></td> <td>- Block Pool（固定大小） <br/> - Byte Pool（彈性分配） <br/> - 適合小型系統</td> <td>- 多種 heap 實作 (heap1~heap5) <br/> - 依需求選擇靜態或動態配置 <br/> - 須注意配置 Semaphore / Mutex 以確保多任務安全</td> <td>- slab、mempool、heap 等多種分配策略 <br/> - Kconfig 可細調 <br/> - 需在編譯階段做良好配置</td> <td>- mempool、heap 二分法 <br/> - 預設輕量動態分配算法 <br/> - 可搭配自訂或高階 alloc 演算法</td> </tr> <tr> <td><strong>除錯與追蹤</strong></td> <td>- 可使用 TraceX 等工具 <br/> - 整合度高，針對 Thread、Event、IPC 做可視化</td> <td>- FreeRTOS+Trace、第三方 IDE 追蹤工具多 <br/> - 與 Percepio Tracealyzer 深度整合</td> <td>- 統一的 Tracing 子系統 <br/> - 可連接 Tracealyzer、LTTng、SystemView 等 <br/> - 追蹤支援度豐富</td> <td>- RT-Thread Studio 或其他插件 <br/> - 提供簡單 log 系統與線上除錯機制 <br/> - 社群亦有類似 FreeRTOS Trace 的追蹤方案</td> </tr> <tr> <td><strong>可移植性與擴充性</strong></td> <td>- 官方主要支援多數 ARM、RISC-V、MIPS <br/> - Microsoft 收購後社群逐漸擴大</td> <td>- 幾乎所有 MCU 都有移植 <br/> - 大量第三方套件與驅動 <br/> - 可透過 AWS FreeRTOS 延伸雲端功能</td> <td>- 原生支援多家大廠硬體 (Intel、NXP、Nordic&hellip;) <br/> - Kconfig + Devicetree 與 Linux 類似 <br/> - 企業支援與社群並重</td> <td>- 在亞洲（特別是中國）用得廣泛 <br/> - 與國產 MCU、RISC-V 平台整合度高 <br/> - Packages 方式讓功能彈性擴充</td> </tr> </tbody> </table> <h2 id="總結">總結 </h2><p>總結一下前面提到的四種RTOS：</p> <ol> <li><strong>AzureRTOS (ThreadX)</strong>：以高效能與小巧佔用聞名，擅長在嚴苛的資源受限環境中執行，另有良好的除錯工具與商業案例，對STM32的支援度好。</li> <li><strong>FreeRTOS</strong>：擁有巨大開源社群與靈活的擴充性，適用於廣泛的微控制器與嵌入式應用，在學術或商業專案皆常見，初學者適合。</li> <li><strong>Zephyr</strong>：受到 Linux 基金會與多家企業的大力推動，硬體支援廣泛，並有強大的追蹤與分析工具，適合需要高可靠度及詳細監控的中大型嵌入式應用</li> <li><strong>RT-Thread</strong>：架構輕量化、模組化明確，啟動速度快，適合物聯網及其他對即時性與資源效率要求高的場景。</li> </ol> https://www.hugoshih.com/zh-tw/p/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E5%B8%B8%E7%94%A8%E7%9A%84%E5%B9%BE%E7%A8%AEmcu/Mon, 21 Aug 2023 19:32:31 +0800https://www.hugoshih.com/zh-tw/p/%E5%B5%8C%E5%85%A5%E5%BC%8F%E7%B3%BB%E7%B5%B1%E5%B8%B8%E7%94%A8%E7%9A%84%E5%B9%BE%E7%A8%AEmcu/<img src="https://i.imgur.com/xEqWwbo.jpg" alt="Featured image of post 嵌入式系統常用的幾種MCU" /><h1 id="嵌入式系統常用的幾種mcu">嵌入式系統常用的幾種MCU </h1><p>最近在實作嵌入式系統時因為系統需要更強的運算功能，決定捨棄原本常用的Atmega328p，尋找其他32位元MCU開發平台，選擇平台是件大事，每個平台的適用場景跟開發環境都不同，藉此機會來分析一下。</p> <h2 id="atmel系列-如atmega328p">ATMEL系列 (如ATMEGA328P) </h2><ul> <li>Atmega328p是ATMEL公司(美國)生產的8位元AVR架構MCU，常用於Arduino UNO板上</li> <li>優點:容易入門且文檔完整、社群支援完整(Arduino生態系建立的很好)、良好的功耗效率(這點沒實測過但聽說很不錯)</li> <li>缺點:與其他32位元MCU相比，處理能力有限、較少的內置記憶體和RAM、以他的性能來說小貴(35元上下)</li> <li>適用場景: 初學者入門的專案(例如Arduino教學、簡單的嵌入式專案)、低功耗低成本的家用電子裝置</li> </ul> <h2 id="esp系列-如esp32-c3">ESP系列 (如ESP32-C3) </h2><ul> <li>ESP32-C3是Espressif Systems公司(中國)的產品，基於32位元RICS-V或Xtensa架構，自帶WiFi和藍牙功能</li> <li>優點:直接包含WiFi和藍牙不用外接模組所以CP很高(一顆35-50元)、也是很多人在使用社群支援算完整、有內涵SPI flash的版本很方便</li> <li>缺點:較高的功耗(雖然有深度睡眠功能)、系統穩定性聽說不佳</li> <li>適用場景: IoT (物聯網) 需要WiFi或藍牙連接的設備、智慧家電、智慧穿戴裝置、不是很關鍵的東西。</li> </ul> <h2 id="stm系列-如stmf103c8t6">STM系列 (如STMF103C8T6) </h2><ul> <li>STMF103C8T6是STMicroelectronics公司(瑞士)的32位元ARM Cortex-M3微控制器</li> <li>優點:運算功能強、具有多種接口、有低功耗模式的版本，具有較高的性價比(範圍大20-60元都有)、有很完整的開發除錯工具、在工業產品中比較常用</li> <li>缺點:開發環境較為複雜、較少的RAM和Flash</li> <li>適用場景: 複雜的嵌入式專案、需要強大的處理能力、工業自動化、無人機、高階的感測器系統</li> </ul> <h2 id="stc系列-如stc89c52">STC系列 (如STC89C52) </h2><ul> <li>STC89C52是STC Micro公司(中國)生產的8位元8051微控制器。</li> <li>優點: 8051架構非常的古老、具有廣泛的應用和大量的資料支援、價格超便宜(10-50元)、開發環境算簡單。</li> <li>缺點:超舊的架構，處理能力有限、較少的內存和RAM、可以看作是人弱化版的Atmel系列、但因為功能單純，家電之類的很常用到</li> <li>適用場景: 傳統的嵌入式系統，如家用電器控制、教育用途，學習8051微控制器的原理和程式設計、簡單的LED顯示、鍵盤輸入等基本IO操作</li> </ul> <h2 id="raspberry系列-如rp2040">RASPBERRY系列 (如RP2040) </h2><ul> <li>RP2040是Raspberry Pi基金會(英國)開發的32位元ARM Cortex-M0+微控制器</li> <li>優點:高效的處理性能、RAM算大、開源資源和社群支援、簡單的開發環境(Micropython)、CP值也很高(35元)</li> <li>缺點: 較新的產品，可能存在與硬體不穩定的問題有些Bug可能還沒有解法</li> <li>適用場景: 要求高性能處理的嵌入式專案、影音運算、影像處理、複雜的演算法運算、大數據處理、跑TinyML模型等等</li> </ul>