嵌入式编程之战：裸机VS实时系统

原创云深之无迹 2025-02-18 10:00 226浏览 0评论 0点赞

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嵌入式系统开发可以分为 裸机（Bare Metal） 和 RTOS（实时操作系统） 两种方式。

裸机开发意味着 没有 RTOS，程序直接运行在 MCU 上，所有任务调度 完全由开发者手动管理。裸机开发适用于 简单任务，低功耗系统，小型嵌入式设备，但当任务复杂到一定程度，就需要 RTOS 来管理。

裸机编程是 不依赖 RTOS，直接操作 MCU 硬件 的开发方式，通常采用：✅ 主循环（Super Loop）
✅ 中断驱动（Interrupt Driven）
✅ 状态机（State Machine）

int main() {    hardware_init();  // 硬件初始化（GPIO、UART、I2C、SPI）    while (1) {  // 主循环        task1();  // 处理传感器数据        task2();  // 处理按键输入        task3();  // 处理显示屏刷新    }}

这个编程起来就非常的简单，如程序所示。

说说裸机的问题->

任务管理困难：多个任务需要手动安排执行顺序 .因为是从头运行到尾部，一些子任务复杂，就要占用大量的CPU时间，下面的任务就执行不了。
实时性差：任务执行时间不可预测，容易卡死。这条就是1的后半段，后面的一些任务就饿死了。
同步与通信难：多个任务共享资源时，容易发生数据竞争。裸机之间的信息传输是需要global变量，这就有很多意想不到的问题，比如数据竞争什么的。
代码难以维护：任务逻辑复杂后，裸机程序难以维护。这个我觉得不是裸机的问题，纯粹就是写多了，都复杂。

这里总结了一些场景和用途

✅ 简单的单任务/少任务嵌入式系统 → 适合裸机
✅ 复杂的多任务、实时性要求高的系统 → 需要 RTOS

主循环（Super Loop），简单系统，如 LED 控制、按键扫描

void main() {    hardware_init();  // 硬件初始化    while (1) {        led_task();        button_task();        uart_task();    }}

这种代码最喜欢🌶

中断驱动（Interrupt Driven），事件驱动系统，如 UART、ADC 采集

void USART_IRQHandler() {      char data = USART_ReceiveData();      process_data(data);  }

✅ 减少 CPU 负担，数据来了才处理
❌ 任务间通信难，如果多个中断抢占，容易丢失数据，因为中断来的时候，当前的数据是放在栈里面。

定时器 + 任务调度，定期任务，如 100ms 采集传感器数据

void TIM2_IRQHandler() {    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {        sensor_read_task();        display_update_task();        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);    }}

✅ 定期任务调度，提高实时性
❌ 任务增多时，定时器调度难以管理。也就是说定时器的时间戳给每个子任务使用。

状态机（State Machine），按键检测、设备模式切换

typedef enum { IDLE, PROCESSING, ERROR } SystemState;SystemState current_state = IDLE;
void main() {    while (1) {        switch (current_state) {            case IDLE:                  if (button_pressed()) current_state = PROCESSING;                break;            case PROCESSING:                  process_task();                current_state = IDLE;                break;            case ERROR:                error_handle();                break;        }    }}

✅ 适用于复杂逻辑（如工控、状态机管理）
❌ 状态增多时，代码可读性下降

void Task1(void *argument) {    while (1) {        printf("任务 1 运行\n");        vTaskDelay(1000);    }}
void Task2(void *argument) {    while (1) {        printf("任务 2 运行\n");        vTaskDelay(2000);    }}
void main() {    xTaskCreate(Task1, "Task1", 512, NULL, 1, NULL);    xTaskCreate(Task2, "Task2", 512, NULL, 2, NULL);    vTaskStartScheduler();}

然后我们就可以写这种任务

RTC外设有什么用？昨天不是写了一个RTC吗？我一直对定时器情有独钟，那我们就分析一下设计一个时钟怎么做？

闹钟应用通常需要精准的时间管理、低功耗运行、定时唤醒，最佳选择是 MCU 内部的 RTC（Real-Time Clock）外设。

如果是设计一个引爆器，就是裸机了，感觉港剧里面的起爆器太low了，剪线？笑死，我把所有的传感器都加上，复杂的判断条件，精通的定时，谁都别想活。

初始化 RTC
设置 RTC 闹钟
进入低功耗模式
RTC 到时间触发中断，唤醒 MCU
播放蜂鸣器 / LED 提示
等待用户停止闹钟

流程大概就是这样吧？

#include "stm32f4xx.h"
void RTC_Alarm_IRQHandler(void) {    if (RTC->ISR & RTC_ISR_ALRAF) {        RTC->ISR &= ~RTC_ISR_ALRAF; // 清除闹钟标志位        printf("闹钟响了！\n");        buzzer_on();  // 打开蜂鸣器    }}
void RTC_SetAlarm(uint8_t hour, uint8_t min, uint8_t sec) {    RTC->ALRMAR = (hour << 16) | (min << 8) | sec;  // 设置闹钟时间    RTC->CR |= RTC_CR_ALRAIE;  // 使能闹钟中断}
void main() {    RTC_Init();  // 初始化 RTC    RTC_SetAlarm(7, 30, 0);  // 设置闹钟 7:30:00    enter_low_power_mode();  // 进入低功耗模式}

✅ 闹钟触发后 MCU 唤醒，执行 buzzer_on() 响铃
❌ 只能管理一个闹钟，多个闹钟需要手动写代码管理

我们来看看RTOS，

创建 RTC 任务
任务循环监听 RTC 时间
管理多个闹钟列表
RTC 触发闹钟，发送任务通知
任务处理响铃逻辑
支持低功耗模式

#include "FreeRTOS.h"#include "task.h"#include "queue.h"
TaskHandle_t AlarmTaskHandle;
typedef struct {    uint8_t hour;    uint8_t min;    uint8_t sec;} AlarmTime_t;
QueueHandle_t xAlarmQueue;  // 闹钟队列
void RTC_Alarm_IRQHandler(void) {    BaseType_t xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;    xTaskNotifyFromISR(AlarmTaskHandle, 0, eNoAction, &xHigherPriorityTaskWoken);    portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken);}
void AlarmTask(void *pvParameters) {    AlarmTime_t alarm;    while (1) {        if (xQueueReceive(xAlarmQueue, &alarm, portMAX_DELAY)) {            printf("闹钟响了！时间：%02d:%02d:%02d\n", alarm.hour, alarm.min, alarm.sec);            buzzer_on();        }    }}
void main() {    xAlarmQueue = xQueueCreate(5, sizeof(AlarmTime_t));  // 创建闹钟队列    xTaskCreate(AlarmTask, "AlarmTask", 512, NULL, 1, &AlarmTaskHandle);    vTaskStartScheduler();}