微控制器与微处理器

微控制器单元,简称微控制器,其英文名为microcontroller unit(简写微MCU),是指在一个芯片上构成的以实现控制目的为主的功能单元。其包括中央处理器、存储器、寄存器、接口等。因计算机运行所需资源都是在单个的芯片上,故微控制器又称为单片机(single-chip computer)。

因微控制器软件与硬件相关性很强,需与相应硬件支持来运行,在微控制上运行的软件一般称为固件。固件是被写入非易失程序存储器内的专用软件。

处理器又称为中央处理器(CPU,Central Processing Unit),有时也被称为微处理器(MPU),处理器一般需要依赖外部的硬盘或存储介质进行运行,系统资源丰富、复杂。是计算机、电脑、平板和手机等的核心。

根据处理性能的不同,运行的操作系统也有所不同。微控制器多运行实时操作系统(RTOS),对任务时间性要求比较高。处理器多运行Windows、Linux、Android、iOS等操作系统,对任务处理能力要求比较高的。

MCU产品

近些年,MCU产品性价比不断提升,尤其是32位MCU,其运行主频已达百兆级甚至高达1GHz,功能越来越强,资源配置也越来越丰富,编程也越来越复杂,需要RTOS来配置管理基础资源和维护管理产品。RTOS可以应用到8位/16位/32位MCU产品上,但32位MCU产品将会是主流。MCU产品双核多核产品增多,产品功能的复杂度越来越高。而MCU与CPU产品不再是泾渭分明,异构集成将是一个新的产品发展特点。MCU产品将会沿着摩尔定律之路继续前行,会不断涌现出新的产品,RTOS的路越来越宽广。

RTOS

实时操作系统是指面向实时运行对象,并为其服务的操作系统,英文名称为real-time operating system,简写为RTOS。面向MCU或微控制器的RTOS一般也称为嵌入式实时操作系统(embedded real-time operating system)。RTOS是一种系统软件,可以为应用程序提供服务并管理微控制器硬件资源,这些硬件资源包括内存、外设和中断等。实时操作系统的主要目的是给需要执行的各种任务分配处理时间。

操作系统一般可分为:通用操作系统(OS)和实时操作系统(RTOS)两大类。而实时操作系统(RTOS)根据其运行的处理器不同可以进一步分为:CPU RTOS和MCU RTOS两类。

通用操作系统(OS)

操作系统:Windows、Linux、Mac OS…

CPU: x86、ARM…

实时操作系统(RTOS)

CPU RTOS

实时操作系统:THREADX、SylixOS、VxWorks…

PowerPC、MIPS、RISC-V、68K、ARM Cortex-A…

MCU RTOS

RT-Thread、FreeRTOS…

8051、PIC、Arm Cortex-M…

通用操作系统,如Windows、Linux、Mac OS,这类操作系统主要运行于x86和Arm等处理器。除x86和Arm处理器外,仍有很多的CPU也需要操作系统,如PowerPC、MIPS等,可以运行THREADX、SylixOS、VxWorks等实时操作系统。随着微控制器(MCU)性能不断地提升、价格不断地下降,以及消费电子、物联网等新兴应用的发展,越来越多的MCU也开始用上了实时操作系统(RTOS)。

RTOS有时又被分为硬实时操作系统和软实时操作系统:

硬实时操作系统是指必须使任务在确定的时间内完成

软实时操作系统是指能让绝大多数任务在确定时间内完成

RTOS主要应用

RTOS主要的应用有:航空航天、消费电子、物联网、工业控制、汽车电子、网络通信、医疗电子等。随着物联网的普及以及新的消费电子的发展,RTOS将会进入规模化部署阶段。

Windows vs． RTOS

Windows是面向消费者的,RTOS是面向开发者的;Windows有着统一的处理器,在一台电脑上编译好的程序可以很方便地在另一台计算机上运行,RTOS使用的是不同架构的处理器或微控制器,不能跨处理器或硬件运行,需要进行相应地移植。RTOS现阶段难以像Windows一样形成大一统的格局,差异化的应用需求仍然需要差异化的RTOS。

RTOS的主要角色

RTOS相关参与者的角色对RTOS的发展起到至关重要的作用。越来越多的MCU或MPU厂商通过RTOS或中间件推动产品的销售,降低了客户产品开发的难度,加快了新产品上市时间。在一些重要的应用,如航空航天、医疗等,高可靠性的商业RTOS仍然是非常重要的。开源的RTOS通过社区借助其RTOS和中间件等产品丰富特性吸引开发者,并提供增值服务。设备终端制造商使用RTOS可以加速产品敏捷开发,加速产品快速迭代或上市。云服务商通过提供RTOS可以为产品开发者提供更加便捷的云端-终端连接,云服务商凭借其云服务产品的市场影响力,大大推动了RTOS的应用。

物联网RTOS

在物联网的应用中,在终端和云端之间,RTOS起着重要的“桥梁”作用。一般地,会在RTOS基础上集成了一些物联网需要的协议栈、中间件或组件,可以快速搭建起物联网系统应用来。云服务商提供RTOS可以让用户更快地开发,加速物联网项目的落地。云服务商的物联网实时操作系统对RTOS市场有着重要的影响,毕竟物联网终归是要连接到云上,而那正是云服务商的优势所在。Microsoft、Amozon、阿里、腾讯、华为等云服务商加速发展物联网,推出其RTOS也是顺利成章的事。开源RTOS提供了灵活自由的配置,为各种不同的应用需求提供了可能的选择,丰富的中间件或组件也吸引着众多的开发者。

RTOS市场规模

2018年,在VDC Research发布的一份报告中提到,预计到2021年,物联网和嵌入式OS(包括免费/非商业OS)的全球出货量将增长到111亿个。另,受限的设备上的免费和低成本操作系统以及资源丰富的嵌入式系统的免费开源Linux将会推动RTOS出货量增长。

据ABI Research称,物联网正面临新的计算挑战,尤其是在部署和扩展方面,其未来将部分依赖于使用嵌入式RTOS。预计到2022年将有210亿台物联网设备配备嵌入式RTOS。ABI Research研究主管Michela Menting表示:“物联网的巨大发展重振了嵌入式RTOS市场,开源平台的迅速发展对专用RTOS厂商产生了影响”。

另,据相关报道,embOS部署规模超过10亿台设备。Nucleus部署规模超30亿台。RT-thread部署规模超2亿台。而被微软公司收购的Express Logic,其ThreadX RTOS部署了超过62亿次。VxWORKS 全球已部署超过20亿台。
RTOS在物联网应用中前景广阔。据市场研究公司Gartner预测,2020年物联网设备数量将达到204亿。

RTOS中间件

RTOS嵌入式中间件是位于嵌入式系统软件(嵌入式操作系统、嵌入式数据库等)与应用程序之间的软件。中间件扩展了RTOS功能,如同Windows上安装了应用软件一样,大大丰富了RTOS的应用生态。开源中间件提供了很多的选择,可以在应用中不断发展和验证并提升完善。安全可靠的中间件面向特定的应用领域中仍具有一定的商业价值。

结语

RTOS是运行在MCU/MPU之上,是实现机器智能基础的系统软件。在摩尔定律的推动下,MCU/MPU市场规模将会进一步增大,采用RTOS的比重会越来越高,毕竟泛在智能少不了一颗“智能”的芯。

在物联网领域,RTOS会形成两大主力:云服务商提供的RTOS和开源社区支持的RTOS。他们都在构建和完善自己的生态圈子。不同RTOS之间的互兼容、互联通,也是未来值得尝试的方向。

RTOS对不同内核架构及新硬件特性的支持、发展更多的中间件或组件、平台化、互联互通、商业化是RTOS不断发展的方向。