开放原子训练营（第三季）RT-Thread Nano学习营一探究竟

news2024/11/17 17:54:34

前言

不知道从什么时候起，智能设备开始普及到了我们日常生活的方方面面。下班还未到家，热水器就可以调到合适的温度；上班刚进公司，忘关空调也不再是什么烦恼；诸如夜晚的灯光变换，白昼的窗帘适应等更给我们的生活带来诸多方便与快乐。

那么有没有小伙伴曾经困惑或者思考过，为什么汽车可以不需要人来驾驶？为什么工业可以不需要人来把关？为什么便利店不需要收银员来收银结算？为什么小饭馆不需要大厨师来调色增香？

其实这一切都得益于一个技术的诞生与发展：物联网（Internet of Things），或者我们可以更抽象的说它是万物互联。

那么物联网到底是什么呢？

物联网简介

物联网是指通过信息感知设备和信息传输设备，按约定的协议，将物与物、物与人通过网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控与管理等功能。

这其中，有三个至关重要的概念：

  1. 感知层：通过各种传感器采集信息，识别物体的特征、位置、状态等信息
  2. 网络传输层：通过网络实现物与物、物与人之间的信息交换
  3. 应用层：依据采集的大量数据，通过计算机信息系统进行存储、处理与分析，实现对物体的智能监控与控制

那么你可能有疑问，这么牛逼的东西是怎么运行的，那些能控制硬件的代码是怎么写出来的呢？

物联网操作系统原理探究

接着上面的话继续聊。

想要实现物联网的相关功能，物联网操作系统是不可或缺的部分。物联网操作系统由内核、通信支持（WiFi/蓝牙、2/3/4G等通信支持、NFC、RS232/PLC支持等）、外围组件（文件系统、GUI、Java虚拟机、XML文件解析器等）、集成开发环境等组成。

在这里插入图片描述

简而言之，物联网操作系统是对底层硬件资源进行管理和调度，为上层的应用程序提供稳定可靠的运行环境的一套系统。

从上面的图可以看出，物联网操作系统的主要操作原理如下：

  1. 硬件抽象层：抽象出CPU、内存、总线等底层硬件设备,为上层系统提供统一的接口。
  2. 内核：负责系统的核心功能,包括线程管理、中断管理、定时器管理、内存管理、信号量/消息队列等IPC机制等。
  3. 组件与服务：在内核之上提供文件系统、GUI、数据库、网络协议栈等服务。这些服务由相应的组件实现，开发者可以根据需求配置需要的组件。
  4. 驱动模型：提供统一的设备驱动框架和各种设备的驱动，实现对底层硬件的管理与调度。
  5. 应用程序:运行在操作系统之上的具体应用，通过调用操作系统提供的API实现相应的业务功能。

它们之间的架构关系如下图所示：

描述

从上到下，每一层的运行都依赖于下一层的功能。应用程序通过操作系统提供的 API 调用服务与组件层和内核层，最终管理底层硬件。这就是一个典型物联网操作系统的主要操作原理。

下面介绍一个非常好用的物联网操作系统---- RT-Thread

RT-Thread 简介

正好 CSDN 就有相关的课程，感兴趣的小伙伴可以移步16天入门物联网操作系统——RT-Thread 。

RT-Thread 是一个集实时操作系统（RTOS）内核、中间件组件和开发者社区于一体的国产开源技术，诞生于2006年，由熊谱翔先生带领并集合开源社区力量开发而成。RT-Thread也是一个组件完整丰富、高度可伸缩、简易开发、超低功耗、高安全性的物联网操作系统。

RT-Thread 具备一个IoT OS平台所需的所有关键组件，例如GUI、网络协议栈、安全传输、低功耗组件等等。经过13年的累积发展，RT-Thread已经拥有一个国内最大的嵌入式开源社区，同时被广泛应用于能源、车载、医疗、消费电子等多个行业，累积装机量超过两千万台，成为国人自主开发、国内最成熟稳定和装机量最大的开源RTOS。

RT-Thread 拥有良好的软件生态，支持市面上所有主流的编译工具如GCC、Keil、IAR等，工具链完善、友好，支持各类标准接口，如POSIX、CMSIS、C++应用环境、Javascript执行环境等，方便开发者移植各类应用程序。商用支持所有主流MCU架构，如ARM Cortex-M/R/A, MIPS, X86, Xtensa, C-Sky, RISC-V，几乎支持市场上所有主流的MCU和Wi-Fi芯片。

当前的 RT-Thread 有多个版本，分别是：标准版，Nano版和Smart版本。

关于这三个版本，伙伴可以去 RT-Thread 官网查看更详细的内容。

前言铺垫了这么多，终于来到我们的主题，RT-Thread Nano 学习营。

RT-Thread Nano使用

RT-Thread Nano 是使用 C 语言开发一个极简版的硬实时内核，它的内存资源占用极小，功能包括任务处理、软件定时器、信号量、邮箱和实时调度等相对完整的实时操作系统特性。适用于家电、消费电子、医疗设备、工控等领域大量使用的 32 位 ARM 入门级 MCU 的场合。

软件框图：
在这里插入图片描述
Nano 版本支持的架构有 ARM（Cortex M0/ M3/ M4/ M7 等）、RISC-V 及其他，内置的功能有线程管理、线程间同步与通信、时钟管理、中断管理、内存管理。

开发环境搭建

使用 RT-Thread Nano，需要先搭建它的环境。

  • 我们可以从 RT-Thread 官网下载源码包

在这里插入图片描述

  • 或者点击这里直接下载压缩包，这样可以基于其他开发环境移植 RT-Thread Nano，比如 IRA

在这里插入图片描述

  • 或者我们通过一站式的 RT-Thread 开发工具 RT-Thread Studio 来创建 RT-Thread Nano 工程，可以从这里 获取安装RT-Thread Studio

在这里插入图片描述

  • 或者我们也可以基于 Keil MDK 或者 CubeMX 来移植 RT-Thread Nano。

下面重点介绍从 RT-Thread Studio 开始创建项目。

在RT-Thread Studio 上使用 RT-Thread Nano

第一步先安装 RT-Thread Studio，这里就略过了。

安装好以后，我们打开 IDE，先更新 SDK。

在这里插入图片描述

更新完成后，就可以新建 Nano 工程，在左上角依次点击File > New > RT-Thread Nano Project，就会弹出新建项目的配置页面。

下图是基于芯片来创建项目
在这里插入图片描述
如果是基于开发板，就需要我们选择开发板型号，BSP 版本号，RT-Thread 源码版本，调试器和调试接口等信息，如下图：

在这里插入图片描述

这样就创建完成了。接下来写一段代码，比如打印Hello RT-Thread!，连接硬件，进行编译下载

在这里插入图片描述
由于项目配置的时候，我们配置了控制台串口号及引脚号，所以工程中已经实现了 uart 的驱动以及 rt_hw_console_output() ，可以默认进行打印。

在这里插入图片描述

下面我们尝试几个简单的示例：

  1. 这是一个串口通信的示例：
int main()  
{  
    /* 查找串口设备 */  
    rt_device_t serial;  
    serial = rt_device_find("uart1");  
  
    /* 打开串口设备 */  
    rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);  
  
    /* 设置串口接收回调函数 */  
    rt_device_set_rx_indicate(serial, uart_rx_ind);  
  
    /* 发送字符串 */  
    rt_device_write(serial, 0, "Hello RT-Thread!", 15);  
}  
  
void uart_rx_ind(rt_device_t dev, rt_size_t size)  
{  
    /* 读取数据 */  
    rt_uint8_t buff[32] = {0};  
    rt_device_read(dev, 0, buff, size);  
}
  1. 这是一个定时器的示例：
/* 定时器控制块 */  
static struct rt_timer timer;  
  
/* 定时器回调函数 */  
static void timeout(void *parameter)  
{  
	/* 线程函数打印了timeout reached!  */
    rt_kprintf("timeout reached!\n");  
}  
  
int main()  
{  
    /* 初始化定时器 */  
    rt_timer_init(&timer, "timer", timeout, RT_NULL, 10, RT_TIMER_FLAG_ONE_SHOT);  
  
    /* 启动定时器 */  
    rt_timer_start(&timer);  
}
  1. 创建线程与删除线程
#include <rtthread.h>

#define THREAD_PRIORITY         25
#define THREAD_STACK_SIZE       512
#define THREAD_TIMESLICE        5

ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
static rt_uint8_t thread_stack[THREAD_STACK_SIZE];
static struct rt_thread tid1;

/* 线程入口 */  
static void thread_entry(void* parameter)  
{
    /* 线程函数打印了Hello RT-Thread!  */
    rt_kprintf("Hello RT-Thread!\n");  
    rt_thread_mdelay(500);
}

int main()  
{  
    /* 创建线程，接受线程名称,线程入口函数,线程参数,线程栈及大小,优先级和时间片*/  
    rt_thread_init(&tid1,
                   "thread1",
                   thread_entry,
                   RT_NULL,
                   thread_stack,
                   THREAD_STACK_SIZE,
                   THREAD_PRIORITY,
                   THREAD_TIMESLICE); 
  
    /* 启动线程 */  
    if (&tid1 != RT_NULL) rt_thread_startup(&tid1);  
  
    /* 删除线程 */  
    rt_thread_delete(tid);
}

基本上在使用 RT-Thread Studio 开发的时候，我们大体上可以分为这几个步骤：创建项目、编写代码、构建项目、下载、调试、优化。所以总体感觉还是比较简单。

总结

RT-Thread Nano 具有非常多的优点。

  1. 代码足够简洁：Nano 不含 Scons 构建系统，不需要 Kconfig 以及 Env 配置工具，也去除了完整版特有的 device 框架和组件，仅是一个纯净的内核。
  2. 资源占用小：Nano 对 RAM 与 ROM 的开销非常小，在支持 semaphore 和 mailbox 特性，并运行两个线程 (main 线程 + idle 线程) 情况下，RAM 占用约 1K 左右，ROM 占用 4K 左右。
  3. 使用方便：Nano 在配置文件 rtconfig.h 中列出了内核中的所有宏定义，有些默认没有打开，如需使用，打开即可。具体的配置可见教程

除此之外，Nano 还有很多让人眼前一亮的特性，这里就不一一列举了。
感兴趣的伙伴们，赶紧行动起来吧👉https://edu.csdn.net/course/detail/22983

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